Termodinamica

APPUNTI DI CHIMICA

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 s

1 cal = 4,184 J

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APPUNTI DI CHIMICA

Energia

Energia cinetica: energia associata al movimento di un corpo

2E(k) = ½ mv

Energia potenziale = energia correlata alla posizione, alla composizione e allo stato

di un oggetto- energia potenziale elettrostatica
E = k Q Q / del 1 2 -2k = 8,99 J m C0
- 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
< Energia > stabilità → Legge di conservazione dell'energia: l'energia non può essere né creata né distrutta ma può solo trasformarsi
Sistemi- sistema = quantità di materia / regione di spazio ben delimitata oggetto di analisi

1. isolato (non scambia materia ed energia)
2. chiuso (scambia solo energia)
3. aperto (scambia materia ed energia)

Proprietà di un sistema:

• proprietà intensive
• proprietà estensive

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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 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 ciclici (stato_1 = stato_2)

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 cambiamentiinfinitesimi (gli stati intermedi sono noti e ben definiti)- irreversibili: passaggio da uno stato all’altro per cambiamentirepentini 3Pagina

APPUNTI DI CHIMICA

Lavoro

Lavoro = energia trasferita ad un oggetto quando viene messo inmovimento 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→

Calore

q (calore) = massa * c (calore specifico) * ΔT

q = n c ΔT a volume costante

q = n c ΔT a pressione costante

- non è una funzione di stato perché dipende dal processoutilizzato per fornire il calore stesso

Esperimento di Joule

energia liberata da un peso in caduta: E = m (di un peso) * g * Δh

calore

costante: ΔE = q p + wA temperatura costante: ΔE = q tA volume costante: q v = ΔE - wA pressione costante: q p = ΔE - wA temperatura costante: q t = ΔE - wcostante: ΔE = - P ΔV 5PaginaAPPUNTI DI CHIMICAENTALPIAH = E + PVΔH = q (se la pressione è costante)p- entalpia = energia interna + (pressione * volume)- è una funzione di stato- entalpia = flusso di calore associato a processi che avvengonoa pressione costante quando non ci sono altre forme di lavorooltre a pressione e volumese ΔH > 0 processo endotermico (il sistema assorbe calore)→se ΔH < 0 processo esotermico (il sistema libera calore)→Si definisce STATO STANDARD lo stato più stabile di una sostanzaalla pressione atmosferica (p = 1 atm), alla temperatura di 298K(25°C) e con il numero di moli considerate pari a uno (n = 1 mol)Entalpia di reazione- La variazione di entalpia associata ad una reazione chimica èdata dalla differenza tra l’entalpia dei prodotti e quella deireagenti ΔH = H – Hprodotti reagenti- Entalpia di reazione / calore di reazione: ΔH = ΔHR- E’ una

proprietà estensiva (dipende dalla quantità di reagenti e prodotti e dal loro stato fisico)- Generalmente se ΔH è molto grande negativamente la reazione è spontanea; se, invece, ΔH è molto grande positivamente la reazione è spontanea nel verso opposto (dai prodotti ai reagenti)- ΔH può essere misurato sperimentalmente mediante un calorimetro

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Legge di Hess: se una reazione avviene in più stadi o può essere scomposta in più passaggi successivi, allora il ΔH della reazione globale sarà pari alla somma dei ΔH delle singole reazioni parziali

R° 1° 2° n° ΔH = n ΔH + n ΔH + n ΔH

1 2 n

R° reag° prod°

ΔH = n ΔH + n ΔH

Entalpia di formazione ΔHf

- Entalpia connessa alle reazioni di formazione di un composto a partire dai suoi elementi costituenti

- L’entalpia standard di formazione di ciascun

elemento nella sua forma più stabile è pari a zero

Transizioni di fase / passaggi di stato

Durante i passaggi di stato tutto il calore fornito viene utilizzato per favorire tale passaggio. Più forti sono le interazioni intermolecolari, maggiore sarà il ΔHΔH = - ΔHΔH H0 = 6,007 KJ

solidificazione fusione fusio 2ΔH = - ΔHΔH H0 = 40,66 KJ

condensazione evaporazione evap 2

Entalpia di legame

Variazione di entalpia che si verifica quando un legame viene rotto in fase gassa

È sempre positiva poiché bisogna fornire energia ad una molecola affinché rompa uno dei suoi legami. Legami doppi e tripli sono più forti di quelli singoli: è necessario quindi fornire più energia affinché legami doppi o tripli si rompano

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APPUNTI DI CHIMICA

2° principio della termodinamica

Spontaneità di una reazione

nei sistemi meccanici si avrà un movimento spontaneo quando si ha una

diminuzione di energia potenziale fino al suo valore minimo

nei sistemi chimici la spontaneità non dipende soltanto dall'energia interna di un dato sistema

sistema isolato: la direzione spontanea di un processo porta a una maggiore dispersione della materia e ad un aumento di disordine del sistema

dispersione di materia nel sistema

sistema non isolato: la materia tende a diventare più disordinata (nel sistema) e l'energia tende a dispersi su un maggior numero di particelle (nell'ambiente) - maggior disordine nell'ambiente

Enunciati del 2° principio della termodinamica:

1. Dopo ogni processo spontaneo, per ripristinare il sistema nello stato iniziale, occorre trasformare del lavoro in calore
2. Tutti i processi spontanei sono irreversibili
3. In un processo spontaneo aumenta il disordine
4. Il disordine dell'universo aumenta

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