Termochimica

La TERMODINAMICA è una branca della chimica che studia gli aspetti quantitativi degli scambi di calore tra sistema e ambiente. È una parte della TERMODINAMICA. La TERMODINAMICA è la scienza che studia le trasformazioni dell'energia.

• Il PRINCIPIO DI CONSERVAZIONE DELL'ENERGIA permette di definire e quantificare i flussi di energia (I° PRINCIPIO TERMODINAMICA).
• Il II PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA permette di determinare la direzione del flusso di energia e la sua qualità.
• Ogni sistema energetico (reattore, nucleare, sog., cellula, turbina -> gas) è sottoposto al I e al II principio della termodinamica.
• La termodinamica può essere usata per calcolare e prevedere cambiamenti energetici di un sistema.

Per sistema si intende l'oggetto del nostro studio, mentre per ambiente la restante parte dell'universo che circonda il sistema. In rapporto all'ambiente, un sistema può essere ISOLATO, APERTO, CHIUSO.

• ISOLATO: non può scambiare con l'ambiente esterno né energia né materia. Es. un liquido in un Thermos è un esempio di sistema isolato.
• CHIUSO: può scambiare con l'ambiente esterno soltanto energia e non materia. Es. una bombola di gas chiusa può raffreddarsi e riscaldarsi ma non può scambiare materia con l'ambiente.
• APERTO: può scambiare con l'ambiente esterno sia materia che energia.

SISTEMA=AMBIENTE AMBIENTE=TERMODINAMICO

La TERMODINAMICA è una branca della chimica che studia gli aspetti quantitativi degli scambi di calore tra sistema e ambiente. È una parte della TERMODINAMICA.

La TERMODINAMICA è la scienza che studia le trasformazioni dell'energia.

• Il PRINCIPIO DI CONSERVAZIONE DELL'ENERGIA permette di definire e quantificare i flussi di energia (I PRINCIPIO TERMODINAMICO).
• Il II PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA permette di determinare la direzione del flusso di energia e la sua qualità.
• Ogni sistema energetico (reattore, nucleare, sole, caldaia, turbina a gas) è sottoposto al I e al II principio della termodinamica.
• La termodinamica può essere usata per calcolare e prevedere cambiamenti energetici di un sistema.

Per sistema si intende l'oggetto del nostro studio, mentre per ambiente la restante parte dell'universo che circonda il sistema.

In rapporto all'ambiente, un sistema può essere ISOLATO, APERTO, CHIUSO:

• ISOLATO: non può scambiare con l'ambiente esterno né energia né materia. Es. un liquido in un thermos è un esempio di sistema isolato.
• CHIUSO: può scambiare con l'ambiente esterno soltanto energia e non materia. Es. una bombola di gas chiusa può raffreddarsi o riscaldarsi ma non può scambiare materia con l'ambiente.
• APERTO: può scambiare con l'ambiente esterno sia materia che energia.

Energia

L'energia è l'attitudine che ha un corpo per compiere un lavoro.

L'energia si presenta in diverse forme: meccanica, elettromagnetica, termica, chimica, nucleare, potenziale. L'energia può essere creata né distrutta, può soltanto trasformarsi.

I principio della termodinamica

L'energia di un sistema isolato non si crea né si distrugge, ma si trasforma passando da una forma a un'altra.

Se l'energia si conserva, la variazione di energia interna deve essere uguale al calore assorbito meno il lavoro compiuto.

ΔU = Q - W

Principio di Lavoisier

Fu Lavoisier a enunciare il I principio della dinamica, legato al principio di conservazione dell’energia.

Energia interna (U)

L’energia interna di un sistema fisico dipende soltanto dalle condizioni in cui esso si trova e non dalla sua storia passata. È la somma di tutti i tipi di energia del sistema.

ΔE = q + W

q = calore scambiatoL’energia interna

doveq è il calore assorbito o cedutow è il lavoro compiuto

L'energia interna è invece data dalla somma tra l'energia potenziale e energia cinetica.

∆E=U+K

L'energia potenziale è legata alla posizione del corpo.L'energia cinetica è energia di movimento.

In un sistema chiuso la variazione di energia interna è∆E= Q-W

mentre in un sistema isolato la variazione di ∆E è nulla:∆E=0

Funzione di stato

Le funzioni di stato sono grandezze che, come l'energia interna, dipendono soltanto dalle variabili termodinamiche che servono per descrivere lo stato del sistema fisico a "cui si riferiscono"

Anche l'energia interna è una funzione di stato:

Q > 0

→ SISTEMA → W > 0

←

Q < 0

← SISTEMA ← W < 0

Se il calore Q passa dall'ambiente al sistema sarà maggiore di 0.Se il calore Q passa dal sistema all'ambiente sarà minore di 0.Se il lavoro W passa dall'ambiente al sistema sarà maggiore di 0.Se il lavoro W passa dal sistema all'ambiente sarà minore di 0.

Anidride carbonica

Sublimazione del carbonio

Nella sublimazione della CO₂, il lavoro effettuato è di tipo specifico ed è chiamato Lavoro P-V (pressione-volume).

Esso è il lavoro associato ad una variazione di volume ΔV che si compie contro una pressione esterna P. Per un sistema in cui la pressione è costante esso può essere calcolato:

W = -P·ΔV

Dato che ΔU = q + W avremo ΔU = q - PΔV

A P costante q = H

q = ΔU + PΔV

ΔH = ΔU + PΔV

ΔU = ΔH - PΔV

ΔH = ΔU

Identifichiamo così l’entalpia con l’energia interna.

La variazione dell’entalpia ΔH indica il calore sviluppato o assorbito in una reazione, a condizione che questa venga condotta a pressione costante.

ΔH = H_prodotti - H_reagenti

Poiché l’energia che si assorbe o si produce durante una reazione si manifesta come calore, la variazione di entalpia ΔH è la quantità di calore prodotto o assorbito nel corso di una reazione chimica ed è uguale all’energia interna.

Nel caso in cui il sistema si riferisca a una reazione chimica, si possono avere tre tipi di reazioni: REAZIONI ESOTERMICHE, REAZIONI ENDOTERMICHE e REAZIONI TERMO NEUTRE.

• REAZIONI ESOTERMICHE: sono le reazioni che comportano un trasfe cimento di calore dal sistema all'ambiente, quando sono coinvolte altre forme di energia, tali reazioni si chiamano ESOERGONICHE.
• REAZIONI ENDOTERMICHE: sono le reazioni che avvengono con trasparimento di calore dall'ambiente al sistema, esse sono cosiddette ENDERGONICHE se coinvolgono altre forme di energia.
• REAZIONI TERMO NEUTRE: sono le reazioni non accompagmate da effetti termici apprezzabili.

LEGGE DI HESS

La legge di Hess afferma che il valore di ΔH per una reazione è lo stesso sia che avvenga in un solo passaggio sia che avvenga in una serie di passaggi.

Tale legge è una conseguenza del fatto che l'entalpia è una funzione di stato e dipende solo dagli stati iniziali e finali.

OSSIDAZIONE DEI GLUCOSIO

La maggior parte dell'energia di cui abbiamo bisogno deriva dalla combustione di zuccheri e grassi.

Per il glucosio la combustione è

C₆H₁₂O₆(s) + 6 O₂(g) → 6 CO₂(g) + 6 H₂O(ℓ)

ΔH° = -2816

DEFINIZIONE DI SPONTANEITÀ

Se consideriamo un corpo caldo che ha H=39 e uno freddo con H=9, se li mettiamo a contatto possiamo utilizzare il calore del corpo caldo per scaldare quello freddo. Alla fine i due corpi avranno la stessa temperatura, quindi una parte del calore è stato utilizzato per scaldare il corpo freddo in una sola direzione. Questo è un processo spontaneo.Processi SPONTANEI sono ad esempio i processi ESOTERMICI e non quelli ENDOTERMICI. Infatti, i processi inverso non sono spontanei.Da qui possiamo ricollegarci al II principio della termodinamica.

II PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA

È impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia quello di fare passare calore da un corpo più freddo a uno più caldo. - I ENUNCIATO CLAUSIUSÈ impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia quello di associare una determinata quantità di calore da un'unica sorgente e trasformarlo integralmente in Lavoro. - I ENUNCIATO LORD KELVIN

1. Il rendimento (η) di una macchina termica è dato dal rapporto tra il lavoro totale W prodotto dalla macchina in un ciclo e la quantità di calore Q₂ che in un ciclo la macchina preleva alla sorgente calda. - II ENUNCIATO

η = _W/_Q2 Lavoro in 1 ciclo (J)rendimento Q₂ calore assorbito in 1 ciclo (J)

Quindi, solo UNA PARTE DELL'ENTALPIA può essere utilizzata per produrre lavoro.

Bisogna quindi introdurre una nuova funzione di stato che rappresenti la quantità di energia posseduta dal sistema ma non utilizzabile per compiere lavoro: l’ENTROPIA

ENTROPIA

L’entropia è una proprietà di stato che dipende solo dallo stato di un sistema, non dalla sua storia. La variazione di entropia è determinata dalle entropie degli stati finale ed iniziale e non dal percorso seguito per passare da uno stato all’altro.

ΔS = Sf_inale - Si_niziale

L’entropia è la misura della dispersione della materia, coincidente quindi col grado di DISORDINE.

Dal concetto di entropia, possiamo in altro modo formulare il II principio della termodinamica. “Ogni trasformazione avviene con aumento di entropia. L’entropia dell’universo è in continuo aumento”.

Se durante un processo il disordine tende a crescere (ΔS>0) si parla di PROCESSO SPONTANEO; se volessimo invece aumentare il grado di ordine (ΔS