Termodinamica classica Energia Stato di un sistema, funzioni di stato Tre principi Definizioni di sistema ed ambiente. Sistema: la parte di universo oggetto.

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1 Termodinamica classica Energia Stato di un sistema, funzioni di stato Tre principi Definizioni di sistema ed ambiente. Sistema: la parte di universo oggetto di studio. Ambiente: linsieme dei sistemi con cui il sistema in studio interagisce scambiando energia. Sistema isolato= non scambia energia. Universo: linsieme di tutti i sistemi.

2 Primo principio: lenergia si conserva, ma può essere variata nella forma. Formulazione matematica U= Q-L. U= energia interna Q= calore assorbito L= lavoro fatto U è lenergia interna di un sistema che può variare per scambi di energia. Calore e lavoro sono mezzi con cui lenergia è scambiata, il lavoro è energia trasferita per mezzo di un collegamento meccanico, mentre il calore è energia trasferita a causa di una differenza di temperatura, ovvero di energia cinetica. Lenergia interna di un sistema è una funzione di stato, ovvero è una proprietà intrinseca del sistema, mentre i mezzi con cui è scambiata lenergia variano secondo il percorso seguito dalla trasformazione. Un sistema immagazzina energia se assorbe calore e/o se subisce un lavoro, cede energia se compie un lavoro e/o se cede calore.

3 REAZIONE CHIMICA – SISTEMA IN TRASFORMAZIONE

4 ENTALPIA – FUNZIONE DI STATO PV) = LAVORO DI ESPANSIONE P V A PRESSIONE COSTANTE

5 Il processo di transizione di fase quindi ci dice che il calore necessario al passaggio di fase è: Q = m il calore Q fornito o sottratto al sistema non influisce sulla temperatura, ma è proporzionale alla quantità di sostanza m che ha cambiato fase, e continua fino a che tutta la sostanza non cambia fase. In assenza di transizioni di fase invece, un apporto o un prelievo di calore determina una variazione di temperatura. L'unità di misura del calore latente λ nel Sistema internazionale è J/kg. Spesso il calore latente viene espresso per mole di sostanza come calore latente molare e nel SI si misura in J/mol= COINCIDE CON IL H DELLA TRANSIZIONE DI FASE A PRESSIONE COSTANTE La grandezza c è nota come calore specifico : è definita come la quantità di calore necessaria ad innalzare di un grado centigrado la temperatura di un grammo di una sostanza.

6 Calore latente e temperatura al cambio di stato di sostanze comuni alla pressione atmosfericapressione atmosferica Sostanza Calore latente di fusione [kJ/kg]fusione Temperatura di fusione [°C] Calore latente di ebollizione [kJ/kg]ebollizione Temperatura di ebollizione [°C] Etanolo108-11485578,3 Ammoniaca339-751369-33 Biossido di carbonio184-57574-78 Elio1.25-269,721-268,93 Idrogeno58-259455-253 Azoto25,7-210200-196 Ossigeno13,9-219213-183 Mercurio11-39294357 Zolfo541151406445 Acqua33502272100

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8 TEOREMA DEL VIRIALE per particelle cariche in movimento. I nuclei non subiscono modifiche, quindi non contribuiscono a variazioni di energia, gli elettroni invece subiscono modifiche nel cambio dei legami La variazione di energia degli elettroni nel cambio di legami è rappresentata dalla variazione della loro Epot, a causa del teorema del viriale Il H misura la variazione di energia degli elettroni nel cambio di legami = differenza delle energie di legame prodotti-reagenti Nelle reazioni chimiche cè sempre una modifica di legami.

9 H > 0 ENDOTERMICA H < 0 ESOTERMICA Reazione ENDOTERMICAReazione ESOTERMICA

10 VARIAZIONE DI ENTALPIA DI FACILE MISURA in quanto coincidente con uno scambio di calore (apparecchio da usare = calorimetro) in termini atomici è la misura della differenza tra le energie dei legami rotti e le energie di quelli formati

11 Conoscendo le seguenti energie di legame: C O 358 KJ/mol, H I 299 KJ/mol, C I 240 KJ/mol e O H 463 KJ/mol, calcolare il calore sviluppato o consumato dalla seguente reazione: H H H C O H(g) + H I(g) H C I(g) + H O H(g) H H Si scindono: 1 legame C O e 1 legame H I Si formano: 1 legame C I e 1 legame H O H=(358+299) (240+463) = 46 kJ (reazione esotermica)

12 Sapendo che lenergia del legame H H è di 436 KJ/mol, e che la reazione è la seguente: H2(g) + calore 2 H(g) calcolare il calore necessario rispettivamente per rompere i legami di una mole di H2 e di 6 g di H2. Si scinde 1 legame H H quindi il calore necessario è 436 kJ per mole n H2 = 3 mol 3x436 = 1308 kJ

13 Sapendo che le energie dei legami C H e H H sono rispettivamente 413 KJ/mol e 436 KJ/mol, calcolare il H della seguente reazione: CH4(g) C(g) + 2 H2(g) H= 4x413 2x436 = 780 kJ (reazione endotermica)

14 Sapendo che le energie dei legami I I, H H ed H I sono rispettivamente 151 KJ/mol, 436 KJ/mol e 299 KJ/mol, calcolare il H della seguente reazione: I2(s) + H2(g) 2 HI(g) H = (151 + 436) 2x299 = 11 kJ (reazione esotermica)

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16 Quanta H2O e quanta CO2 si producono durante la combustione di 1 mole di propano, C3H8? C3H8(g) + O2(g) CO2(g) + H2O(l) Sapendo inoltre che la combustione di una mole di propano sviluppa 2.140.103 KJ/mol, determinare il calore svolto da un kg di C3H8. C3H8(g) + 5 O2(g) 3 CO2(g) + 4 H2O(l) Da una mole di propano si ottengono 4 moli di acqua e 3 moli di anidride carbonica n C3H8 = (1000 g) / (44 g mol-1) = 22.7 moli 1 : (2.140 x 103) = 22.7 : X X = 48578 KJ

17 Il primo principio è alla base della possibilità di scrivere una reazione come somma di più reazioni che globalmente scambiano la stessa energia. Massa ed energia si conservano

18 Definizione di reazione di formazione Tabelle di H° f = H di formazione (f) in condizioni (stato) standard (°)

19 (1)C (s) + 1/2 O 2 (g) = CO (g) ΔH 1 = ? Applicando la legge di Hess è possibile valutarne la relativa entalpia; infatti (2)C (s) + O 2 (g) = CO 2 (g) ΔH 2 = -393,51 kJ (3)CO (g) + 1/2 O 2 (g) = CO 2 (g) ΔH 3 = -282,98 kJ Sommando la (2) con la (3) rovesciata si ottiene la reazione (1) ΔH 1 = ΔH 2 + (-ΔH 3 ) = -393,51 + 282,98 = -110,53 kJ

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