Chimica Fisica
Canale M-Z
Aula T8, Gio. 9-11 Ven. 14-16
Fino al 30 aprile
Prof. Lorenzo Stella
Sett. 5 Liv. 1 (Chimica Fisica) Stanza 4
0672594463
[email protected]
Libri di testo
• R. Chang
Chimica Fisica (Vol. 1).
Zanichelli 2003.
• M. Venanzi
Appunti di chimica fisica per scienze biologiche.
Universitalia 2010.
(via di Passolombardo 421)
Modalità d’esame
• Scritto (esercizi)
• Voto finale unico con Chimica Organica
(media pesata)
Esercitazioni
Lunedì:
–12/4
–19/4
–3/5
–10/5
Aula T8, ore 14:30-16:30
OPZIONALI
La Termodinamica descrive le PROPRIETA’ di SISTEMI MACROSCOPICI
all’EQUILIBRIO.
Più specificatamente, la Termodinamica studia gli SCAMBI DI ENERGIA e di
MATERIA tra un SISTEMA e l’AMBIENTE che lo circonda.
AMBIENTE
ENERGIA
SISTEMA
MATERIA
SISTEMA - Un insieme costituito da un numero macroscopico di
molecole, dell’ordine del numero di Avogadro, NA=6.0231023.
Rappresenta una piccola parte di un sistema molto più grande
(AMBIENTE) che lo racchiude interamente.
AMBIENTE – Un sistema molto più grande del sistema in esame.
Temperatura, volume e pressione dell’ambiente rimangono
costanti qualunque siano i cambiamenti del sistema.
In particolare, la sua temperatura non cambia qualunque sia
l’energia scambiata tra sistema e ambiente.
U = energia scambiata tra sistema e ambiente
n = materia scambiata tra sistema e ambiente
SISTEMA ISOLATO: non ci sono né scambi di energia, né di
materia
U = 0
n = 0
SISTEMA CHIUSO: scambia energia, ma non materia
U  0
n = 0
SISTEMA APERTO: scambia energia e materia
U  0
n  0
EQUILIBRIO = uno stato durante il quale le proprietà del sistema
non cambiano nel tempo.
L’equilibrio è sempre di tipo dinamico.
Esempio: Liquido puro in equilibrio con la sua fase vapore
All’equilibrio:
Gas
n(gas)=costante
n(g→l)
n(liq)=costante
dn(gas o liq) = dn(g→l) + dn(l→g) = 0
n(l→g)
Liquido
dn(g→l) = - dn(l→g)
 = rappresenta una variazione finita
Ex. T = 10°C, p = 2 atm
d = rappresenta una variazione infinitesima (differenziale)
Ex. dT, dp, dV sono variazioni infinitesime di temperatura,
pressione, volume.
Lo stato di equilibrio di un sistema è definito da poche variabili, dette
VARIABILI DI STATO.
VARIABILI DI STATO ESTENSIVE: DIPENDONO DAL
NUMERO DI MOLECOLE CHE COMPONGONO IL SISTEMA.
Ex. N = numero di molecole, V = Volume
U = Energia interna
H = Entalpia
S = Entropia
G = Energia libera
Sono tutte grandezze estensive
VARIABILI DI STATO INTENSIVE NON DIPENDONO DAL
NUMERO DI MOLECOLE CHE COMPONGONO IL SISTEMA.
p = Pressione, T = Temperatura,  = Potenziale chimico
Le variabili di stato sono legate tra loro da equazioni dette
EQUAZIONI DI STATO
Ex. Equazione di stato dei gas ideali
pV=nRT
A
B
pA
pB
parete mobile
• pA >
pB il sistema A si espande finchè pA = pB
• pA < pB il sistema B si espande finchè pA = pB
• pA = pB EQUILIBRIO MECCANICO
1 atm = 760 torr (o mmHg)
= la pressione esercitata da una colonna riempita di mercurio
dell’altezza di 76 cm.
F mg mgh mgh
p 


 gh
A
A
Ah
V
m
3

 ( Hg )  13.6 gr  cm
V
p  13.6 103  9.8  0.76  1.01105 Pa
1
1Pa  1kg  m  s
2
1 bar  10 Pa
5
A
B
TA
TB
parete diatermica
• TA >
TB trasferimento di calore dal A a B finchè TA = TB
• TA < TB trasferimento di calore da B a A finchè TA = TB
• TA = TB EQUILIBRIO TERMICO
GAS IDEALE: un gas di molecole non interagenti e di volume
trascurabile
Equazione di stato dei gas ideali:
pV=nRT
n = numero di moli
p = pressione
V = volume
T = temperatura
R = costante universale dei gas
1. Legge di Boyle: pV = costante
per n e T costanti
2. Legge di Charles: V = costT
per n e p costanti
Principio di Avogadro: V = costn
per p e Tcostanti
Combinando questi leggi si ottiene l’equazione di stato dei gas ideali.
Sono dette leggi limite perché valgono per tutti i gas reali allorchè la
pressione è sufficientemente bassa da poter trascurare le interazioni
tra le molecole (al limite per p che tende a zero).
Legge di Charles: V= costanteT
V
(n,p costanti)
0.005 atm
0.01 atm
0.02 atm
0.03 atm
0
T(°C)
T=-273.15°C
Tutte le rette (isobare) convergono verso lo stesso valore di temperatura
corrispondente al volume nullo (sperimentalmente irrangiungibile):
T(V=0) = -273.15°C
La scala Kelvin assume una scala lineare di temperature tra T = 0 K
(zero assoluto -273.15 °C) e T=273.16 K (punto triplo del
diagramma di fase dell’acqua 0.01 °C).
T(K) = T(°C) + 273.15
Punto triplo = unico punto in cui coesistono le fasi solida, liquida e
gassosa per l’H2O (T=273.16 K, P=0.0061173 bar).
E’ detta scala assoluta delle temperature poiché tutte le sostanze si
comportano come gas ideali al tendere a zero della pressione.
In termodinamica si usa esclusivamente la scala assoluta delle
temperature.
La pressione esercitata da una miscela di gas è data dalla
somma delle pressioni parziali dei singoli componenti.
P   pi
i
RT RT
P   pi   ni

V
V
i
i
RT
 ni  ntot V
i
ni
ni
RT
RT
pi  ni

ntot

P  xi P
V
ntot
V
ntot
ni
xi 
ntot
Frazione molare
P
pB
0
xA
pA
1
pV
R  lim
 8.314511 J  K 1  mol 1
p 0 nT
Condizioni normali: n = 1, p= 1atm, T = 273.16K, V=22.414 litri
p V
1  22.14
litri  atm
R

 0.082

n  T 1  273.16
mol  K
cal
J
 1.987
 8.314
mol  K
mol  K
Equivalenza meccanica del calore (Mayer-Joule):
1 cal = 4.184 J
All’aumentare della pressione le proprietà dei gas reali deviano
sempre più sensibilmente dal comportamento ideale.
T=costante
n=1
•
Convertire 5 atm in Pa, bar, torr.
•
Un gas perfetto, in un recipiente a volume costante, ha pressione di 50.2 torr alla
temperatura di 273.16 K.
• Quale variazione di pressione è associata all’aumento di 1 K da questa
temperatura?
• Quale pressione corrisponde alla temperatura di 100 °C?
• Quale variazione di pressione è associata all’aumento di 1 K da questa seconda
temperatura?
•
Un recipiente di 22.4 L contiene inizialmente 2 moli di idrogeno e 1mole di azoto, a
273.15 K. L’idrogeno reagisce completamente con l’azoto per dare ammoniaca.
Calcolare la pressione parziale delle specie gassose presenti alla fine della reazione
e la pressione totale della miscela finale.