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TERMODINAMICA
• Si può prevedere l’andamento
reazione chimica? Se sì, come?
di
una
• Quando una reazione chimica può essere
definita spontanea?
• Quali sono i parametri sperimentali che
occorre determinare per potere fare delle
asserzioni sulla spontaneità di una
reazione?
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Nella Termodinamica l’oggetto di cui si
vogliono studiare le proprietà è detto
SISTEMA.
Un sistema può essere:
Isolato
Non scambia né materia, né
energia
Chiuso
Scambia solo energia
Aperto
Scambia sia energia che
materia
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Descrivere termodinamicamente un sistema significa
darne il numero minimo di parametri che definiscono
il sistema stesso.
Ad esempio dato un gas in un recipiente:
PV = n RT
PVTn
PVnT
PnTV
.........
costante
Le proprietà della materia si possono descrivere con variabili
classificate in estensive ed intensive. Una variabile è:
ESTENSIVA
quando dipende dalle dimensioni, cioè dalle quantità.
Esse sono additive come volume, massa, ….
INTENSIVA
quando non dipende dalle dimensioni.
Esse non sono additive come pressione o temperatura
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La termodinamica si occupa degli
stati di equilibrio del sistema.
Uno stato di equilibrio è uno stato in
cui le proprietà macroscopiche del
sistema stesso, quali temperatura
densità, composizione chimica sono
ben definite e non variano nel tempo.
E’ importante conoscere l’energia
interna di un sistema, cioè la sua
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attitudine a compiere lavoro
Equilibrio
Un sistema è in equilibrio se i valori delle
grandezze che lo caratterizzano rimangono
costanti nel tempo
•
•
•
•
Equilibrio meccanico: Forze in equilibrio
Equilibrio chimico: composizione costante
Equilibrio termico: temperatura costante
Equilibrio termodinamico: termico+chimico+meccanico
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Processo reversibile e irreversibile
• Il lavoro è il moto effettuato contro una forza
opponente
• L’energia è la capacità di un sistema di compiere
lavoro
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Calore e Temperatura
• La Temperatura riflette il movimento
casuale delle particelle, ed è quindi
correlata all’energia cinetica delle
molecole
• Il Calore è l’energia che si trasferisce in
virtù di una differenza di temperatura,
cioè coinvolge un trasferimento di
energia tra due oggetti a temperatura
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differente
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Flusso di Calore
Il Calore fluisce da un corpo caldo ad uno freddo fino a quando non
raggiungono la stessa temperatura
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9
Flusso di Calore ed Equilibrio Termico
• Quando un corpo
caldo viene messo a
contatto con un corpo
freddo, del calore
fluisce dal corpo caldo
verso quello freddo,
aumentando la sua
energia, sino a
raggiungere l’equilibrio
termico.
© Dario Bressanini
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La capacità termica è il rapporto tra il calore
somministrato e la variazione di temperatura
prodotta:
Capacità termica = C = q/𝞓T
La capacità termica specifica è definita come l’energia trasferita in forma
di calore necessaria per innalzare di un grado kelvin la temperatura di un
grammo di sostanza
q = mCsT
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Problema
Supponiamo di immergere un pezzo di rame, del peso di 140,5 g, alla temperatura
di 373,0 K in un recipiente termicamente isolato contenente 100,0 g di H2O alla
temperatura di 298,0 K. Calcolare la temperatura dell’acqua quando sia stato
raggiunto l’equilibrio termico. Nell’intervallo di temperatura considerato, per il rame
C = 24,1 J/(mol x K) e per H2O C= 75,3 J/(mol x K)
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Energia interna: risorse totali di energia di un sistema.
Non siamo in grado di misurare il valore assoluto di U, ma
solo le sue variazioni
Lavoro di tipo P-V
U = Q + L
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Questa equazione è troppo qualitativa per il chimico,
dato che l’energia interna di un sistema cambia in
funzione del calore assorbito dall’ambiente o ceduto
all’ambiente o del lavoro fatto o subito.
Per convenzione:
+L
lavoro
subito
lavoro
fatto
+Q
calore
assorbito
-L
-Q
calore
ceduto
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Primo Principio della Termodinamica
L’energia di un sistema isolato si conserva,
cioè è costante.
(Legge di conservazione dell’energia)
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L’energia di un corpo dipende da:
Quindi si avrà:
Posizione
Moto
Condizioni interne
Massa
E = V + T + U + Em
energia
potenziale energia
cinetica
energia equivalente
alla massa
energia interna
Il primo principio dice quindi: E = costante
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E = V + T + U + Em
Poiché nelle reazioni chimiche il sistema
non cambia posizione
V = 0 (var. en. pot.)
T = 0 (var. en. cinetica)
non varia di massa
Em = 0 (var. en. eq. massa)
E = V + T + U + Em
La variazione di energia totale corrisponderà alla
variazione di energia interna.
E = U
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Quindi l’energia interna di un sistema varia se si assorbe o
si trasferisce calore o lavoro nell’ambiente circostante
U = Q + L
ovvero la variazione di energia interna è data dal calore
fornito al sistema diminuito del lavoro compiuto dal
sistema stesso.
Il lavoro è dato da: L = F × s
F 3
L  2 s  F s
s
Nel caso di un gas: L = P × V
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Pertanto:
U = Q - PV
Quindi se avviene una trasformazione a volume costante
V = 0 
L=0
 U = Qv
calore a volume
costante
Per una trasformazione adiabatica (cioè non si permette lo
scambio di calore)

Q=0
U = - L
Se la trasformazione è ciclica (cioè si ritorna allo stato iniziale)
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U = 0
cioè U = Q + L = 0
quindi
Q=-L
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calore assorbito
dal sistema
lavoro fatto
dal sistema
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Cioè se non si varia lo stato del sistema, o meglio lo si
riporta sempre nelle condizioni iniziali, il calore assorbito o
ceduto dal sistema è sempre uguale al lavoro fatto o
subito dal sistema.
Cioè l’energia è una proprietà che può venire
associata ad un singolo stato del sistema
(Funzione di stato).
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La pressione, il
volume, la
temperatura, la
densità, etc. sono
tutte funzioni di
stato,
Calore e lavoro
no!!!
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