1 SISS TERMODINAMICA Antonio Ballarin Denti

2 Spettro solare ed intensità energetica Sole Terra

3 Flussi di energia solare The thickness of the arrows represents the amount of energy absorbed, reflected, or stored per unit time in units of watts W. The U.S. consumption per unit time is approximately 3×10 12 W Only a small amount of the total solar energy reaching the earth is fixed by photosynthesis.

4 Sistemi aperti,chiusi ed isolati (sistema e ambiente)

5 CALORE: non ha le stesse proprietà di un fluido Heat is transmitted through vacuum; an indefinite amount of heat can be extracted from a solid by friction. These observations were originally made by Benjamin Thompson (Count Rumford) A hot block of the same material and the same size weigh the same!

6 Esperienza di James Prescott Joule: lavoro e calore a)b) By transformating various forms of energy into heat inside a calorimeter (an adiabatic container), Joule showed that: the same amount of heat appeared in the system when the same amount of any form of energy was dissipated. Thus, if the mechanical and electrical work done in a) and b) is the same, the temperature changes in both calorimeters will be equal.

7 Il contributo di Joule alla termodinamica fu la scoperta del principio di conservazione dellenergia, ovvero del: primo principio della termodinamica E = Q-W Trasformazioni adiabatiche Trasformazioni isoterme Trasformazioni isocore Trasformazioni isobare

8 LAVORO

9 CAPACITÀ TERMICA Se V = cost dE = dQ Nei gas perfetti : E = E(T) e A

10 Se P = cost dQ = dE + PdV Nei gas perfetti : E = E(T) B Per n = 1:

11 LA DIREZIONE DEI PROCESSI NATURALI Entropia Although entropy can be calculated only for a reversible process between two equilibrium paths, all other proceses (including irreversible) that go between the same initial and final states will have the same change in entropy.

12 The total entropy of the system plus the environment does not change during a reversible heat transfer at constant T Per un processo irreversibile : produzione interna di entropia

13 Durante un processo irreversibile: Entropy and energy behave differently when crossing the boundary of a system. Although the same energy appears inside the system and crosses the boundary, an excess entropy is generated inside the system in irreversible processes; we denote this additional amount of entropy by S i

14 Indichiamo con 1 un processo reversibile e con 2 un processo irreversibile ENTROPIA E CALORE Ma: S 1 = S 2 Se T1 = T2

15 ENTROPIA E LAVORO CASO 1: processi reversibili CASO 2: processi irreversibili

16 Essendo E funzione di stato :

17 Combinando prima e seconda legge: Vediamo due processi irreversibili

18 1) Trasferimento di calore Q da un corpo a temperatura T1 (1) ad un corpo a temperatura T2 (2) Per i processi spontanei : T1 T2

19 2) Espansione isoterma di un gas perfetto nel vuoto Essendo : T = cost E = E(T) E = 0 Per un processo spontaneo : V2 V1

20 ENERGIA LIBERA E POTENZIALI 1. La funzione di stato G ( energia libera di Gibbs ) Introduciamo alcune grandezze fondamentali: i S = produzione interna di entropia W= lavoro utile (al netto del lavoro P – V )

21 2. Lavoro utile e G lavoro utile lavoro dovuto a trasporto di carica elettrica lavoro dovuto a trasporto di massa

22 3. Espressione completa di G Per T e P costanti :

23 4. Il potenziale chimico n i = moli della specie chimica i - esima

24 I I II n n n The change in free energy when matter moves across a boundary can be calculated as the sum of the individual changes in each compartment; G total = G 1 + G 2

25 Allequilibrio : G = 0 1 = 2

26 Nei processi spontanei : 1 > 2 (G = 0) Se Detta C la concentrazione si trova sperimentalmente : 1 < 2 il processo non può avvenire nel senso ( ) Differenziando e integrando : Tenendo conto del potenziale standard

27 5. forma completa del potenziale chimico Date due regioni con materia a concentrazioni C1 e C2 : Se T 1 = T 2 e P 1 = P 2 e dato che 1 = 2 °°

28 Se T1 T2 e P1 P2 : P = differenza di pressione tra il sistema 1 e 2 T = differenza di temperatura tra 1 e 2 S = entropia molare parziale V = volume molare parziale

29 6. Il potenziale elettrochimico The work done when a charge q is transported from a region held at potential 1 to a region held at potential 2 can be broken up into two terms.

30 Se le masse sono anche cariche N 0 = numero di Avogadro n = numero di moli z = carica ione e = carica elettrone F = e N 0 = costante di Faraday

31 Per una mole ( n = 1 ) : 1. Sia T = 0, = 0 : 2. Sia P = 0, = 0 : 3. P = 0, T = 0 :