L1Introduzione_2010
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Chimica Fisica 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 [email protected] Libri di testo • 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 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. AMBIENTE ENERGIA SISTEMA MATERIA SISTEMA - Un insieme costituito da un numero macroscopico di molecole, dell’ordine del numero di Avogadro, NA=6.0231023. 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 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: Gas n(gas)=costante n(g→l) n(liq)=costante dn(gas o liq) = dn(g→l) + dn(l→g) = 0 n(l→g) Liquido dn(g→l) = - dn(l→g) = 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. 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 pV=nRT 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 1 atm = 760 torr (o mmHg) = la pressione esercitata da una colonna riempita di mercurio dell’altezza di 76 cm. F mg mgh mgh p gh A A Ah V m 3 ( Hg ) 13.6 gr cm V p 13.6 103 9.8 0.76 1.01105 Pa 1 1Pa 1kg m s 2 1 bar 10 Pa 5 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 GAS IDEALE: un gas di molecole non interagenti e di volume trascurabile Equazione di stato dei gas ideali: pV=nRT n = numero di moli p = pressione V = volume T = temperatura R = costante universale dei gas 1. Legge di Boyle: pV = costante per n e T costanti 2. Legge di Charles: V = costT per n e p costanti Principio di Avogadro: V = costn 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). Legge di Charles: V= costanteT V (n,p costanti) 0.005 atm 0.01 atm 0.02 atm 0.03 atm 0 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 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. La pressione esercitata da una miscela di gas è data dalla somma delle pressioni parziali dei singoli componenti. P pi i RT RT P pi ni V V i i RT ni ntot V i ni ni RT RT pi ni ntot P xi P V ntot V ntot ni xi ntot Frazione molare P pB 0 xA pA 1 pV R lim 8.314511 J K 1 mol 1 p 0 nT Condizioni normali: n = 1, p= 1atm, T = 273.16K, V=22.414 litri p V 1 22.14 litri atm R 0.082 n T 1 273.16 mol K cal J 1.987 8.314 mol K mol K Equivalenza meccanica del calore (Mayer-Joule): 1 cal = 4.184 J All’aumentare della pressione le proprietà dei gas reali deviano sempre più sensibilmente dal comportamento ideale. T=costante n=1 • 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.
