Sett. 5 Liv. 1 (Chimica Fisica) Stanza 4 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 stella@stc.uniroma2.it

Libri di testo Modalità d’esame 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

Principi di Termodinamica 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. SISTEMA AMBIENTE ENERGIA 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

Il concetto di equilibrio 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: n(gas)=costante n(liq)=costante dn(gas o liq) = dn(g→l) + dn(l→g) = 0 dn(g→l) = - dn(l→g) Gas n(g→l) n(l→g) Liquido

Nota Matematica = 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.

Variabili di stato U = Energia interna H = Entalpia S = Entropia 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 p V = n R T

Equilibrio meccanico 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

Unità di misura della pressione 1 atm = 760 torr (o mmHg) = la pressione esercitata da una colonna riempita di mercurio dell’altezza di 76 cm.

Equilibrio termico 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

Un sistema termodinamico modello: il gas ideale GAS IDEALE: un gas di molecole non interagenti e di volume trascurabile Equazione di stato dei gas ideali: p V = n R T n = numero di moli p = pressione V = volume T = temperatura R = costante universale dei gas

Leggi limite dei gas Legge di Boyle: pV = costante per n e T costanti 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).

Scala termodinamica assoluta della temperatura Legge di Charles: V= costanteT (n,p costanti) V 0.005 atm 0.01 atm 0.02 atm 0.03 atm 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

Scala Kelvin (assoluta) della temperatura 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.

Legge di Dalton La pressione esercitata da una miscela di gas è data dalla somma delle pressioni parziali dei singoli componenti.

P pB pA 1 xA

La costante universale dei gas Condizioni normali: n = 1, p= 1atm, T = 273.16K, V=22.414 litri Equivalenza meccanica del calore (Mayer-Joule): 1 cal = 4.184 J

Gas reali All’aumentare della pressione le proprietà dei gas reali deviano sempre più sensibilmente dal comportamento ideale. T=costante n=1

Esercizi 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.