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TERMODINAMICA Studio delle variazioni di energia durante una trasformazione Calore e lavoro - 1° principio termodinamica Energia interna ed Entalpia -

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Presentazione sul tema: "TERMODINAMICA Studio delle variazioni di energia durante una trasformazione Calore e lavoro - 1° principio termodinamica Energia interna ed Entalpia -"— Transcript della presentazione:

1 TERMODINAMICA Studio delle variazioni di energia durante una trasformazione Calore e lavoro - 1° principio termodinamica Energia interna ed Entalpia - Termochimica (Hess) Entropia - 2° e 3° Principio termodinamica Energia libera Variazione di energia libera in una reazione Variazione di energia libera e Keq

2 Energia Un sistema può scambiare energia con lesterno mediante scambio lavoro e/o di calore. se l'energia contenuta nelle molecole dei prodotti è > di quella dei reagenti occorre fornire energia: es. della fotosintesi per la biosintesi di glucosio, (C 6 H 12 O 6 ) a partire da biossido di carbonio e acqua: 6CO 2 (g) + 6H 2 O(1) + energia C 6 H 12 O 6 (s) + 6O 2 (g) se l'energia delle molecole dei prodotti è < a quella dei reagenti la differenza di energia viene liberata nell'ambiente. es. combustione. C 6 H 12 O 6 (s) + 6O 2 (g) 6CO 2 (g) + 6H 2 O(1) + energia

3 unità di misura l'unità di misura energia nel S.I. è il joule (j): l J =1 kg m 2 /s 2 Una unità di misura largamente utilizzata in chimica è la caloria (cal): quantità di energia necessaria per aumentare di l°C la temperatura di 1 g di acqua. 1 cal = j

4 Lenergia interna di un sistema comprende tutte le forme di energia che possono essere scambiate attraverso processi fisici semplici (non nucleari) o reazioni chimiche Energia cinetica di traslazione Energia cinetica di rotazione Energia di legame intermolecolare Energia di legame intramolecolare Energia vibrazionale E INTERNA = E CINETICA + E POTENZIALE

5 materia energia energia sistema aperto sistema chiuso sistema isolato

6 AMBIENTE SISTEMA + q - q - w + w q = calore + q: lambiente cede calore al sistema - q: il sistema cede calore allambiente w = lavoro - w: lambiente compie lavoro sul sistema + w: il sistema compie lavoro sullambiente Lenergia complessiva del sistema e dellambiente nel corso di una trasformazione non cambia

7 ENERGIA, CALORE E TERMOCHIMICA Le reazioni chimiche liberano o assorbono calore. Q è la quantità di calore scambiata dalla reazione stessa H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) H 2 O (l) + Q CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O(1) + Q Se facciamo reagire 10 moli di H 2 saranno richieste 5 moli di O2; si formeranno 10 moli di acqua e si libererà una quantità di calore pari a 10 volte Q. Il calore può essere visto come uno dei prodotti (o reagenti) di certe reazioni chimiche.

8 1° Principio della termodinamica Lenergia posseduta dalle particelle presenti in un campione è la energia interna E (o anche U) legge di conservazione dell'energia: l'energia non può essere creata né distrutta. 1° Principio della termodinamica: l'energia interna di un sistema isolato si mantiene costante.

9 I° principio della termodinamica E = Q - W E Q W La variazione di energia interna di un sistema, E, in seguito a una trasformazione è uguale al calore assorbito dal sistema, Q, meno il lavoro compiuto dal sistema, W. E +q -w stato iniziale stato finale E = E 2 – E 1 E1E1 E2E2

10 O2O2 GLUC. CO 2 H2O + q T q = m c T Reazione di combustione del glucosio C 6 H 12 O 6 (s) + 6O 2 (g) 6CO 2 (g) + 6H 2 O(l)

11 q = m c T Energia termica massa (moli o g) capacità termica (calore specifico) variazione di temperatura quantità di calore necessaria ad innalzare di 1°C la temperatura di una massa unitaria di sostanza

12 Capacità termica Se forniamo calore ad un corpo si ha un aumento di temperatura q = C x T La costante di proporzionalità C è la capacità termica; 1 g di acqua ha una capacità termica di 1 cal/°C o 4,18 J/°K g capacità termica specifica c (spesso indicata anche come «calore specifico»): capacità termica per grammo o per mole di sostanza.

13 CALORIMETRIA Misurazione delle variazioni di energia interna e di entalpia che accompagnano una reazione dalla quantità di calore scambiato durante la stessa. a volume costante Qv = E a pressione costante Qp = H Il calore scambiato viene misurato per mezzo di un calorimetro.

14 Entalpia = energia a pressione costante essendo W=P V H = E + PV E = Q - P V H = Q - P V + P V H = Q A pressione costante lentalpia corrisponde al calore di reazione (relazione importante poiché nei sistemi biologici la maggior parte delle reazioni biochimiche avvengono a pressione costante)

15 REAGENTI PRODOTTI SISTEMA CHIMICO H = H PRODOTTI - H REAGENTI Se H < 0 la reazione è esotermica Se H > 0 la reazione è endotermica H N 2 H 4 + H 2 O 2 N 2 + 4H 2 0 N 2 H 4 + H 2 O 2 N 2 + 4H q H = Kcal/mole N 2 H 2HgO 2Hg + O 2 2Hg + O 2 2HgO + q H = Kcal/mole O 2 ? ? ? ?

16 Processi endotermici e esotermici Esotermico: durante la trasformazione il sistema cede una certa energia sotto forma di calore. Endotermico: durante la trasformazione si ha assorbimento di calore. H < 0 HfHf HiHi HiHi HfHf H > 0

17 Variazione di entalpia nelle trasformazioni fisiche. La differenza di entalpia molare tra molecole di una sostanza allo stato liquido e il vapore è nota come entalpia di vaporizzazione, Per l'acqua a 100°C, H vap= H gas - H liquido = + 40,7 kj/mol entalpia di fusione è definita come: H fus = H liquido - H solido

18 curva di riscaldamento Il diagramma di riscaldamento del ghiaccio già visto ci permette ora di parlare di variazioni di entalpie e non più di calori scambiati dato che il processo di riscaldamento si svolge a p costante.

19 Le funzioni di stato Le funzioni di stato dipendono soltanto dallo stato del sistema. La variazione di una funzione di stato nel passare da uno stato allaltro è indipendente dal percorso fatto. Lenergia interna è funzione di stato; calore e lavoro non lo sono.

20 Funzione di stato E H a H b H c H c = H a + H b

21 Entalpia delle trasformazioni chimiche quando 1 mol di CH 4 (16 g) brucia all'aria vengono liberati 890 kj di calore; cioè la reazione: CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O si accompagna a una diminuzione totale di entalpia del sistema (la miscela di reazione) pari a 890 kj per ogni mole di molecole di CH 4 Questa rappresenta l'entalpia di reazione, CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O H = kj Per 2 mol di metano la variazione di entalpia e il doppio: 2CH 4 (g) + 4O 2 (g) 2CO 2 (g) + 4H 2 O H = kj

22 Entalpie di formazione l'entalpia standard di formazione di un composto corrisponde all'entalpia standard per mole di unità formula della reazione di sintesi di quel composto a partire dai suoi elementi costitutivi nella loro forma più stabile alla temperatura di 25°C e alla pressione di 1 atm. 2H 2 (g)+O 2 (g) 2H 2 O(1) = - 571,6 kj = - 285,8 kj/mol H 2 O LEntalpia degli elementi nel loro stato standard (stato cristallino a minore contenuto energetico, puro, ad 1 atm e 25°C) viene convenzionalmente assunta uguale a 0.

23 Entalpia standard di reazione. Essendo lentalpia funzione di stato, la entalpia di una reazione chimica è calcolabile come differenza tra lentalpia dei prodotti e quella dei reagenti: H = H f ° prodotti - H f ° reagenti CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O(g) H = - 803,1 kj H = [ Hf° CO Hf° H 2 O(g)] - Hf° CH Hf° O 2 ) = [ (- 242)] - [ -74,9 + 2 x 0 ] = - 803,1 kJ I dati relativi ai Hf° sono in kJ/mol

24 l'entalpia standard di combustione di una sostanza è la variazione di entalpia per mole di sostanza conseguente alla combustione completa di tale sostanza in condizioni standard. La combustione completa degli idrocarburi produce biossido di carbonio e acqua : C 3 H 8 (g) + 5O 2 (g) 3CO 2 (g) + 4H 2 O(1) 2220 kj

25 L'entalpia è una proprietà di stato, le sue variazioni sono indipendenti dal modo in cui i reagenti di una determinata reazione si trasformano nei prodotti. Calcola H° di 2 C (s) +2O 2(g) 2CO 2(g) 2C (s) + O 2(g) 2CO (g) 221 kj 2CO (g) + O 2(g) 2CO 2(g) 566 kj 2C(s) +2CO (g) + 2 O 2(g) 2CO(g)+ 2CO 2(g) 2 C (s) +2O 2(g) 2CO 2(g) Hx Hx = - 221,0 kj + (- 566,0 kj) = - 787,0 kj Legge di Hess


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