Chimica Fisica

Canale M-ZAula T8, Gio. 9-11 Ven. 14-16

Fino al 30 aprile

Prof. Lorenzo StellaSett. 5 Liv. 1 (Chimica Fisica) Stanza 4

0672594463 stella@stc.uniroma2.it

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)

• Scritto (esercizi)• Voto finale unico con Chimica Organica

(media pesata)

Modalità d’esame

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.

SISTEMA

AMBIENTE

ENERGIA

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

Gas

Liquido

n(g→l)

n(l→g)

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)

= 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

p V = n R T

A

pA

B

pB

• pA > pB il sistema A si espande finchè pA = pB

• pA < pB il sistema B si espande finchè pA = pB

• pA = pB EQUILIBRIO MECCANICO

parete mobile

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

ghV

mghAh

mghA

mgAFp

3613 cmgr.)Hg(Vm

Pa....p 53 100117608910613

2111 smkgPa Pabar 5101

A

TA

B

TB

• 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

parete diatermica

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 molip = pressioneV = volumeT = temperaturaR = 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 (n,p costanti)

V

T(°C)

0.005 atm

0.01 atm

0.02 atm

0.03 atm

Tutte le rette (isobare) convergono verso lo stesso valore di temperatura corrispondente al volume nullo (sperimentalmente irrangiungibile):

T(V=0) = -273.15°C

T=-273.15°C

0

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.

i

ipP

VRTnn

VRT

VRTnpP tot

ii

ii

ii

PxPnn

VRTn

nn

VRTnp i

tot

itot

tot

iii

molare Frazione tot

ii n

nx

pA

0 1xA

pBP

11

0 314511.8lim

molKJ

nTpVR

p

Condizioni normali: n = 1, p= 1atm, T = 273.16K, V=22.414 litri

KmolJ

Kmolcal

Kmolatmlitri

TnVpR

314.8987.1

082.016.2731

14.221

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=costanten=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.