Universita’ degli Studi dell’Insubria
Chimica Fisica
Principi e Definizioni
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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
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Modelli ?
© Dario Bressanini
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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.
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Complessita’
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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
Il colore di un missile e’ irrilevante per
calcolare la sua traiettoria
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Astrazione
© Dario Bressanini
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Pensare per Modelli
René Magritte
© Dario Bressanini
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Modelli in Chimica
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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
+
Sistema
AMBIENTE
=
Ambiente
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UNIVERSO
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Sistema e Ambiente
Sistema
Ambiente
Provetta
- Laboratorio
Branco di leoni
- Savana
Atmosfera terrestre - Superficie terrestre + spazio
Cellula
Economia Italiana - Economie del resto del mondo
- Cellule circostanti
La divisione è abbastanza arbitraria.
Dipende dall’accuratezza desiderata del modello.
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Sistemi in Chimica
Vari tipi di sistemi utilizzati in Chimica:
Isolato
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Chiuso
Aperto
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Sistemi in Chimica
In un sistema adiabatico non vi e’ scambio di calore
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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!!!
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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).
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Modelli Macroscopici e Microscopici
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Descriviamo il contenuto di un
cilindro di Automobile
Composizione
Volume
Pressione
Densita’
Temperatura
Colore
Conducibilita’ termica
??????
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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
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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.
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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)
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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
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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.
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Termodinamica Classica e Statistica
1 Kg
Termodinamica Classica
Calcola proprieta’ specifiche
delle varie sostanze
Meccanica Statistica
Meccanica Quantistica
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Relazioni Generali tra variabili
termodinamiche macroscopiche
La Meccanica Quantistica
permette di calcolare I livelli
energetici di Atomi e Molecole
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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
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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
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m/2
V/2
T
p
E/2
ρ
m/2
V/2
T
p
E/2
ρ
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