Termodinamica Chimica Universita’ degli Studi dell’Insubria Termodinamica Chimica Principi e Definizioni dario.bressanini@uninsubria.it http://scienze-como.uninsubria.it/bressanini

Realta’ e Modelli La realta’ e’ spesso troppo complessa per poter essere studiata in modo semplice, preciso e accurato. Gli scienziati ricorrono a delle semplificazioni, a volte drastiche, in modo pero’ da mantenere sempre le caratteristiche salienti del fenomeno da studiare Una teoria scientifica deve essere la più semplice possibile... ma non troppo semplice (A. Einstein) Si usano dei Modelli © Dario Bressanini

Modelli ? © Dario Bressanini

Modelli Un modello e’ una costruzione teorica che cerca di catturare, piu’ o meno fedelmente, uno o piu’ aspetti di un fenomeno Un modello semplifica, diminuisce la complessita’ di un fenomeno, aiuta a capire, ma approssima Scegliere un modello “corretto” è difficile. © Dario Bressanini

Complessita’ © Dario Bressanini

Astrazione L’astrazione e’ una semplificazione conscia di qualche aspetto di un fenomeno o di un problema, che ci permette di concentrarsi sugli aspetti salienti e non sui dettagli Una rappresentazione di qualche cosa Spesso meno dettagliata dell’originale Nasconde o elimina informazione poco o non rilevante Puo’ essere difficile da capire senza una adeguato allenamento Ie exactly what we need to represent systems and their interrelationships To be useful, need to use “languages” to express ideas and concepts Il colore di un missile e’ irrilevante per calcolare la sua traiettoria © Dario Bressanini

Astrazione © Dario Bressanini

Pensare per Modelli René Magritte © Dario Bressanini

Modelli in Chimica © Dario Bressanini

Sistema, Ambiente e Universo Nello studio di un fenomeno, si cerca di isolare la ‘zona di spazio’ dove avviene il fenomeno da quello che la circonda. Universo Sistema Ambiente SISTEMA + AMBIENTE = UNIVERSO © Dario Bressanini

Sistema e Ambiente Provetta - Laboratorio Branco di leoni - Savana Sistema Ambiente Provetta - Laboratorio Branco di leoni - Savana Atmosfera terrestre - Superficie terrestre + spazio Cellula - Cellule circostanti Economia Italiana - Economie del resto del mondo La divisione è abbastanza arbitraria. Dipende dall’accuratezza desiderata del modello. © Dario Bressanini

Sistemi in Chimica Vari tipi di sistemi utilizzati in Chimica: Isolato Chiuso Aperto © Dario Bressanini

Sistemi in Chimica In un sistema adiabatico non vi e’ scambio di calore © Dario Bressanini

Astrazione e Modelli Il sole è, in prima approssimazione, un recipiente pieno di un Gas Ideale. Un cavallo da corsa è, in prima approssimazione, una sfera. Un bicchiere d’acqua (liquida) NON è, neanche in prima approssimazione, assimilabile ad un gas. Si devono trascurare i dettagli insignificanti, o trascurabili... ma solo quelli. Un modello È NECESSARIO!!! © Dario Bressanini

Astrazione e Modelli I modelli possono essere migliorati Gas Solare Gas + Fotoni + Elettroni L’astrazione e la costruzione del modello permette alla matematica di agire (in modo quasi meccanico e automatico ... se si sa come fare) per trarre le logiche conseguenze dalle ipotesi di partenza. In questo modo trascuriamo i dettagli insignificanti, (il colore del cavallo), o trascurabili, (la coda del cavallo). © Dario Bressanini

Modelli Macroscopici e Microscopici Descriviamo il contenuto di un cilindro di Automobile Composizione Volume Pressione Densita’ Temperatura Colore Conducibilita’ termica ?????? © Dario Bressanini

Modelli Macroscopici Per altri sistemi le grandezze più utili possono essere altre: Pila: il volume è poco utile, mentre è fondamentale il potenziale elettrico Stella: sono fondamentali colore e luminosita’ Queste grandezze sono esprimibili in forma numerica, e possono quindi essere considerate delle coordinate Le coordinate descrivono lo stato interno del sistema © Dario Bressanini

Grandezze Macroscopiche Non implicano ipotesi particolari sulla struttura della materia (non richiedono atomi e molecole!). Servono “poche” grandezze per descrivere il sistema (quante ?). Le coordinate macroscopiche sono (più o meno), suggerite dai nostri sensi. Possono essere misurate direttamente. © Dario Bressanini

Modelli Microscopici Il sistema è composto da un numero enorme di particelle che possono interagire fra loro Il numero elevato di particelle permette di utilizzare tecniche statistiche e di ottenere valori medi (termodinamica statistica) Concetti quali “pressione” e “temperatura” sono PRIVI DI SENSO a livello atomico. La termodinamica statistica definisce le varie grandezze macroscopiche a partire da quelle microscopiche (coordinate, velocita’, stati quantici) © Dario Bressanini

Grandezze Microscopiche Si DEVE ipotizzare l’esistenza degli atomi e molecole Le cordinate in gioco sono tantissime (N) Le varie grandezze NON sono accessibili nell’esperienza quotidiana Le grandezze microscopiche NON si possono misurare direttamente © Dario Bressanini

Microscopico - Macroscopico 1 mole = 6.023 1023 particelle 602,300,000,000,000,000,000,000 Per descrivere completamente 1 litro di acqua, dovrei specificare le coordinate e le velocita’ di ogni molecola (6 coordinate per particella) Tuttavia, 1 litro di acqua all’equilibrio, puo’ essere descritta semplicemente specificando la pressione, la temperatura. © Dario Bressanini

Termodinamica Classica e Statistica 1 Kg Meccanica Quantistica Meccanica Statistica Termodinamica Classica La Meccanica Quantistica permette di calcolare I livelli energetici di Atomi e Molecole Calcola proprieta’ specifiche delle varie sostanze Relazioni Generali tra variabili termodinamiche macroscopiche © Dario Bressanini

Termodinamica Classica e Statistica Termodinamica Statistica: approccio Microscopico Ha bisogno dei livelli energetici del sistema Termodinamica Classica: approccio Macroscopico Ha bisogno dei dati calcolati dalla Termodinamica Statistica, o di dati sperimentali © Dario Bressanini

Grandezze Intensive ed Estensive 1-16 Grandezze Intensive ed Estensive Proprieta’ che dipendono dalla quantita’ di materia sono chiamate Estensive Proprieta’ indipendenti dalla quantita’ di materia sono chiamate Intensive m V T p E ρ m/2 V/2 T p E/2 ρ © Dario Bressanini