Termodinamica

Appunti di chimica termodinamica

Anno accademico: 2020 / 2021

Politecnico di Milano

Corso di studi in ingegneria meccanica

Concetti fondamentali di termodinamica

Termodinamica: studio delle leggi che regolano l'equilibrio chimico e della spontaneità di una reazione chimica; studio dei processi di trasformazione della materia considerando lo scambio di energia tra sistema e ambiente, prevedendo la spontaneità di una reazione.

Cinetica: studio della velocità delle reazioni e della catalisi chimica (accelerazione delle reazioni).

Energia = capacità di compiere un lavoro o trasferire calore.

Lavoro = energia utilizzata per spostare un oggetto dotato di massa da un punto a un altro.

Calore = energia necessaria per aumentare la temperatura di un oggetto.

2^-11 J = 1 Kg m s²

1 cal = 4,184 J

Energia

Energia cinetica: energia associata al movimento di un corpo

E(k) = ½ mv²

Energia potenziale: energia correlata alla posizione, alla composizione e allo stato di un oggetto.

• Energia potenziale elettrostatica: E = k Q₁ Q₂ / r
• k = 8,99 J m C^-2

• Energia chimica = energia che unisce gli atomi nelle molecole e le molecole con altre molecole.
• Energia termica = energia associata al moto molecolare; trasferimento di calore da un oggetto a temperatura più alta a uno a temperatura minore.

Legge di conservazione dell’energia: l’energia non può essere né creata né distrutta ma può solo trasformarsi.

Sistemi

Sistema: quantità di materia o regione di spazio ben delimitata oggetto di analisi.

• Isolato (non scambia materia ed energia)
• Chiuso (scambia solo energia)
• Aperto (scambia materia ed energia)

Proprietà di un sistema:

• Proprietà intensive
• Proprietà estensive

Funzioni di stato: proprietà di un sistema indipendenti dalle trasformazioni, determinate univocamente dallo stato termodinamico del sistema (temperatura, volume, massa, energia, pressione).

Ambiente: regione di spazio al di fuori del sistema.

Universo (termodinamico): sistema + ambiente. L’universo è un sistema isolato.

E > 0: passaggio di energia/calore dall’ambiente al sistema

E < 0: passaggio di energia/calore dal sistema all’ambiente

Stato termodinamico

Stato termodinamico in equilibrio: condizione macroscopica di un sistema per cui le sue proprietà non variano nel tempo, sono determinate in modo univoco e hanno lo stesso valore in tutti i punti dello spazio.

Uno stato termodinamico non dipende dal processo con cui lo si raggiunge ma solo dai valori dello stato iniziale e di quello finale.

• Processo isotermico (T cost.)
• Processo isobaro (p cost.)
• Processo isocoro (V. cost.)
• Processo ciclico (stato₁ = stato₂)

Processo termodinamico

Esotermico: calore emesso dal sistema verso l'ambiente (ΔC < 0).

Endotermico: calore assorbito dal sistema (ΔC > 0).

Esoergonico: energia emessa dal sistema (ΔE < 0).

Endoergonico: energia assorbita dal sistema (ΔE > 0).

Processo termodinamico:

• Reversibile: passaggio da uno stato all’altro per cambiamenti infinitesimi (gli stati intermedi sono noti e ben definiti).
• Irreversibili: passaggio da uno stato all’altro per cambiamenti repentini.

Lavoro

Lavoro: energia trasferita ad un oggetto quando viene messo in movimento da una forza in opposizione ad un’altra

W = F Δd

• Non è una funzione di stato
• Lavoro pressione-volume: W = - P (esterna) * ΔV (volume)

W < 0: espansione di un gas

W > 0: compressione di un gas