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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.