Termodinamica chimica

Termodinamica chimica

Interconversioni dell'energia

Termodinamica chimica studia le interconversioni dell'energia nelle sue varie forme. Termochimica si focalizza sugli aspetti termici (calore e lavoro) delle trasformazioni chimiche. L'energia è la proprietà che permette a un sistema di compiere del lavoro (trasformazione di energia).

Forme di energia

Esistono varie forme di energia, le principali sono:

• Energia cinetica: legata al movimento del corpo (E = ½ mv²).
• Energia potenziale: legata alla posizione che il corpo occupa all'interno di un campo di forze. In chimica è dovuta all'interazione e alla disposizione delle particelle.

Unità di misura dell'energia

L'unità di misura dell'energia è il joule (1J = 1N/1m), che corrisponde all'energia posseduta da un corpo di 2 kg che si muove alla velocità di 1 m/s. Un'altra unità di misura – non ufficiale – è la caloria (1 cal = 4,184 J), che corrisponde all'energia necessaria per aumentare la temperatura di 1 g di acqua da 14,5°C a 15,5°C.

Legge di conservazione dell'energia

L'energia non si crea né si distrugge. Essa può solo convertirsi in una forma diversa (ad esempio, anche la massa è una forma di energia condensata: E = mc²). Un sistema può perdere o acquistare energia solo a spese dell'ambiente.

Primo principio della termodinamica

La quantità totale di energia nell'Universo (E) è costante.

Sistema termodinamico

Un sistema termodinamico è qualsiasi porzione dell'Universo si prenda in considerazione; il resto dell'Universo è detto "ambiente" o "intorno". I sistemi possono essere:

• Isolati: non scambiano né materia né energia con l'ambiente (l'unico che esiste è l'Universo considerato nel suo insieme).
• Chiusi: scambiano energia ma non materia con l'ambiente.
• Aperti: scambiano sia materia che energia con l'ambiente. Tutti i sistemi viventi (basti pensare alla cellula) sono sistemi aperti. A seconda delle condizioni, anche una reazione può essere un sistema aperto o chiuso.

Equilibrio termodinamico

Un sistema termodinamico è all'equilibrio quando nessuna delle sue proprietà cambia nel tempo. Ad esempio, un sistema bifasico costituito da un liquido e dal suo vapore saturo è un sistema termodinamico all'equilibrio.

Funzioni di stato

Le proprietà del sistema termodinamico sono dette funzioni di stato (per i gas erano pressione, temperatura e volume). Il valore di una funzione di stato non dipende dal modo in cui lo stato è stato raggiunto dal sistema.

Calcolo della differenza di energia interna

Per calcolare la differenza di energia tra due stati del sistema che hanno diversa energia interna: ∆E = E₂ - E₁.

Proprietà di un sistema termodinamico

• Energia interna del sistema: è una proprietà estensiva che dipende dallo stato fisico in cui si trova il campione in esame, dalle sue dimensioni, dalla temperatura e dalla pressione a cui esso si trova. L'energia interna di un campione di materia è l'energia complessiva posseduta dall'insieme delle particelle del campione (energia cinetica + energia potenziale, ovvero energia di legame). L'energia interna resta costante finché il sistema è isolato (primo principio). Quando una sostanza si trasforma in un'altra, si ha una variazione di energia interna (∆E). Essa è indipendente dalle modalità con cui tale trasformazione avviene.

Scambi di energia e lavoro

Quando un sistema subisce una trasformazione, la sua energia interna cambia sia per effetto degli scambi di calore che di lavoro con l'ambiente:

∆E = E_finale - E_iniziale = Q - L

Q = ∆E + L

Per convenzione, Q è positivo se l'ambiente cede calore al sistema, che lo assorbe, e viceversa, mentre il L è positivo se il lavoro viene compiuto dal sistema sull'ambiente, e viceversa.

Esempio di calcolo

Es.: un sistema cede 3 cal (Q = -3 cal) all'ambiente e compie un lavoro sull'ambiente di 20,9 J (L = +20,9 J). Calcolare il ∆E.

1 cal = 4,18 J  3 cal = 3(4,18) J = 12,54 J

∆E = Q - L = -12,54 - 20,9 = -33,44 J

L'energia interna è diminuita perché il sistema ha perso calore e ha speso energia per compiere un lavoro sull'ambiente.

Trasformazioni a pressione costante

A pressione costante, il calore assorbito dal sistema è in parte usato per aumentare l'energia interna del gas e in parte per compiere un lavoro di espansione:

L = P∆V  Q = ∆E + P∆V = ∆E + L

Trasformazioni a volume costante

Quando la stessa trasformazione avviene in condizioni di volume costante (contenitore chiuso), la pressione cambia però ∆V = 0  P∆V = 0  L = 0. Quindi, non si ha lavoro di espansione e in questo caso la differenza di energia interna si manifesta solo come calore scambiato (Q).

Entalpia (H)

L'entalpia è la seconda funzione di stato termodinamica. Può essere definita come la frazione di energia interna che...