Laboratorio di Chimica Fisica

Piercarlo Mustarelli

Sommario

• La Chimica Fisica serve?• La Chimica Fisica può divertire?• Richiami NECESSARI• Calorimetria• Conduttimetria• Elettrochimica all’equilibrio• Viscosimetria• ???

La Chimica Fisica serve?

• Legge di Moore (Intel,1965)La capacità dei circuiti integrati raddoppia ogni due anni (dato empirico rispettato da circa 50 anni)

Fino a quando? Qual è il limite?

Capacità degli hard disk

Distanza tra le piste (passo nanolitografico)

Limite quantistico????

Aspetti industriali (ruolo del chimico)

STMicroelectronics: 300 mm Si wafer STMicroelectronics: clean room

La Chimica Fisica può divertire?Gomma siliconicaAcquaPlastilinaAcciaio

h

elastico plastico viscoso viscoelastico

La Chimica Fisica può divertire?O almeno incuriosire?

• I liquidi possono essere riscaldati al di sopra della temperatura di ebollizione o raffreddati al di sotto della temperatura di congelamento.

• Sono stati termodinamicamente instabili che non si stabilizzano rapidamente per l’assenza di centri di nucleazione (particelle inerti a superficie scabra, imperfezioni del contenitore, impurezze, etc.)

Il forno a microonde

P.S. E’ pericoloso? Che cosa è lo spettro elettromagnetico?

Lo spettro elettromagnetico

Richiami NECESSARILa matematica che serve

yxxy lnlnln +=

yxyx lnln/ln −=

xx lnln αα =

xxx log303.2log10lnln ==

e ≅ 2.178 base di Nepero

Richiami NECESSARILa matematica che serve

ibaz +=

ibaz −=*

( ) ( ) 2/1222/1* yxzzz +==

x

y

z

Richiami NECESSARILa matematica che serve

( ) ( )x

xfxxfdxdf

dx δδ −+

=→0

lim

dgdfgfd ±=± )(gdffdgfgd +=)(

dggf

gdf

gfd 2−=

Serie di Taylor

( ) ( ) ( ) ( )axdxdfafax

dxfd

nxf

ax

n

axn

n

n−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛+≈−⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

==

∞

=∑

0 !1

dtdg

dgdf

dtdf

=

Richiami NECESSARILa matematica che serve

( ) ( )dxxfxFb

a∫= bxa ≤≤

Esempio: distribuzione rettangolare (continua)Funzione caratterizzata da densità di probabilitàcostante in un intervallo (a,b) e nulla altrove.

f(x)

xa b

f(x) = k a ≤ x ≤ bf(x) = 0 a > x > b

Condizione di normalizzazione: ∫ −=⇒=

b

a abkkdx 11

La distribuzione binomialeConsideriamo uno spazio casuale discreto e completamente classificato in due classi CA e CBmutuamente escludentisi. Definendo

p = p(CA) e q = q(CB)

come conseguenza si ha

q = 1− p

La probabilità B(n) che, su un totale di N eventi, n eventi appartengano a CA è data da:

nNnnNn ppnNn

NqpnNn

NnB −− −−

=−

= )1()!(!

!)!(!

!)(

Richiami NECESSARILa matematica che serve

( ) dyyfdx

xfyxdf

xy⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛∂∂

=,xyf

yxf

∂∂∂

=∂∂

∂ 22

( ) ( ) ( )dyyxudxyxgyxdf ,,, +=Dato

seyx x

uyg

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛∂∂

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

Allora df è un DIFFERENZIALE ESATTO

Richiami NECESSARILa matematica che serve

kAjAiAA zyx

rrrr++=

kBjBiBB zyx

rrrr++= B

r

Ar

Vettore componente Componente del vettore

BACrrr

×= Prodotto vettoriale

Prodotto scalareθcosBABAC =•=rr

Il prodotto vettoriale:impariamo da un caso “fisico”

( ) ( ) ( )xyzxyz

zyx

ypxpxpzpzpyppppzyxprL −+−+−=⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

=×= kjikji

rrr

Il momento angolare

Richiami NECESSARIQuanti tipi di energia?

• Termica• Chimica• Meccanica • Elettrica• Gravitazionale• …

Passaggi tra forme di energia

1. Da energia meccanica a energia termicaIl calorimetro di Joule

1 cal = 4.184 Joule

Passaggi tra forme di energia

2. Da energia chimica a energia meccanicaIl motore a scoppio

Domanda: PΔV è un’energia? dimostrare

Passaggi tra forme di energia

3. Da energia elettrica a energia termicaLa legge di Ohm

La potenza elettrica

L’energia elettrica

IRV =Δ

RIRVVIW 2

2

=Δ

=Δ=

tRItRVtVItWE Δ=Δ

Δ=ΔΔ=Δ= 2

2

TmctVIEE

p

termel

Δ=ΔΔ=

Il riscaldamento dei corpi per effetto Joule

Passaggi tra forme di energia

4. Da energia chimica a energia elettricaLa cella a combustibile

Spesso le percezioni possono essere errate…

Si consuma più energia a:1. Bere una tazza (m= 200g) di acqua fredda

(T=7C)?2. Portare al terzo piano (h=10m) un sacco di

cemento (m=50kg)?3. Far espandere un cilindro (ΔV =90L) contro la

pressione ambiente (1atm)?

Una tazza di acqua fredda• cp, H2O = 4.184 Jg-1C-1

• ΔT = 37C – 7C = 30 C• mH2O = 200 g

q = m cp ΔT = 200 g x 4.184 Jg-1C-1 x 30 C = 25104 J = 25.1 kJ

Un sacco di cemento• m = 50 kg• Δh = 10 m• g = 9.8 m s-2

E = f s = m g Δh = 50 kg x 9.8 m s-2 x 10 m = 4900 N m = 4.9 kJ

Quali sono le approssimazioni?

Un cilindro in espansione• ΔV = 90 L• p = 1 atm

E = f l = p A l = p ΔV = 1 atm x 90 L = 90 atm L

1 atm = 101325 Pa = 101325 kg m-1s-2

1 atm L = 101325 Pa L= 101325 kg m-1s-2 L1 L = 1 dm3 = 10-3 m3

1 atm L = (101325 kg m-1s-2 L) x (10-3 m3) = 101.3 kg m2s-2 =

= 101.3 J

E = 90 atm L x 101.3 J atm-1 L-1 = 9.12 kJ

Spesso le percezioni possono essere errate…