Principi Fondamentali di Termodinamica e Termochimica

Termodinamica e Termochimica: Concetti Fondamentali

Termodinamica

La Termodinamica studia le trasformazioni tra energia, calore e lavoro. La Termochimica è una branca della termodinamica che studia gli scambi di energia nelle reazioni chimiche, e su cui ci si concentrerà in questa unità.

Sistemi Termodinamici

Un sistema termodinamico è la parte dell'universo che stiamo studiando, mentre l'ambiente immediato di questo sistema è chiamato ambiente circostante. Essi possono essere classificati in:

• Aperto: scambia materia ed energia.
• Chiuso: scambia energia, ma non materia.
• Isolato: non scambia né materia né energia.

Variabili di Stato

Pressione, volume, temperatura, concentrazione o densità.

Funzioni di Stato

Le funzioni di stato dipendono esclusivamente dallo stato iniziale e finale del sistema. Se il percorso tra i due stati forma un ciclo, la variazione di ogni funzione di stato è pari a zero.

Tipi di Trasformazioni Termodinamiche

• Isobare: a pressione costante.
• Isocore: a volume costante.
• Isoterme: a temperatura costante.
• Adiabatiche: senza scambio di calore.

Concetto di Temperatura ed Energia Interna

• Energia potenziale: legami tra le particelle responsabili della struttura interna della materia.
• Energia cinetica: moto delle particelle.

Scale Termometriche

Il termometro misura la temperatura. I termometri misurano le temperature in base a una scala di temperatura, ottenuta tramite una procedura definita.

Calore (Q)

Il calore (Q) è il trasferimento di energia tra un sistema e l'ambiente circostante a causa della differenza di temperatura tra i due. L'unità di misura è il Joule (J). Il calore assorbito o rilasciato da una sostanza dipende dalla massa della sostanza (m), dal suo calore specifico (c) e dalla variazione di temperatura (ΔT):

Q = mcΔT

Calore Specifico

Il calore specifico (c) è la quantità di calore necessaria per aumentare o diminuire di 1 grado la temperatura di 1 kg di una sostanza. Si misura in J/(kg·K) o J/(kg·°C). Per misurare il calore specifico si utilizza il calorimetro, uno strumento che permette il trasferimento di calore tra il sistema e l'ambiente circostante, considerando l'insieme come un unico ambiente isolato dall'esterno.

Lavoro (W)

In un contenitore con una parete mobile, l'espansione o la contrazione del sistema può spostare la parete, compiendo lavoro contro una forza esterna. Per un sistema a pressione costante, il lavoro (W) è espresso in Joule (J) come:

W = -P(Vf - Vi)

Principi della Termodinamica

Primo Principio della Termodinamica

Il Primo Principio della Termodinamica afferma che: "In un sistema isolato, l'energia totale si conserva." Oppure: "In ogni sistema termodinamico, il guadagno o la perdita di energia del sistema corrisponde alla perdita o al guadagno di energia, rispettivamente, dell'ambiente circostante."

Energia Interna (U)

L'energia interna (U) è l'energia totale posseduta da un sistema, basata su vari parametri (es. energia cinetica e potenziale delle molecole). La variazione di energia interna (ΔU) di un sistema corrisponde all'energia scambiata con l'ambiente sotto forma di calore (Q) e lavoro (W):

ΔU = Q + W

Entalpia (H)

L'Entalpia (H) è una funzione di stato definita come H = U + PV. La variazione di entalpia (ΔH) è definita come l'energia (calore) scambiata da un sistema a pressione costante.

Reazioni Endotermiche ed Esotermiche

Le reazioni endotermiche ed esotermiche sono classificate in base alla variazione di entalpia (calore scambiato) in un processo a pressione costante.

• Trasformazioni esotermiche: processi in cui vi è un rilascio di energia dal sistema all'ambiente. ΔH < 0.
• Trasformazioni endotermiche: processi in cui il sistema assorbe energia dall'ambiente. La variazione di entalpia è positiva. ΔH > 0.

In termini di stabilità dei legami:

• Reazioni esotermiche: i legami formati sono più stabili di quelli esistenti nei reagenti, il che provoca un rilascio di energia.
• Reazioni endotermiche: i legami formati sono meno stabili, e per questo viene assorbita energia.

Calore di Reazione

Il calore di reazione è la variazione di entalpia di reazione (ΔH_R), ovvero il calore prodotto o assorbito durante una reazione chimica a pressione costante.

Entalpia di Formazione

L'entalpia di formazione (ΔH_f) è la variazione di entalpia che accompagna la formazione di una mole di una sostanza dai suoi elementi costitutivi nei loro stati standard. La variazione di entalpia di reazione (ΔH_R) è uguale alla somma delle entalpie di formazione dei prodotti meno la somma delle entalpie di formazione dei reagenti:

ΔHR = ΣnpΔHf(prodotti) - ΣnrΔHf(reagenti)

Entalpia di Legame

L'entalpia di legame è l'energia necessaria per rompere una mole di un legame specifico, con reagenti e prodotti in un ipotetico stato di gas ideale alla pressione di 1 atm e 298 K.

Calore di Combustione

Il calore di combustione è l'energia rilasciata durante una reazione di combustione. L'entalpia standard di combustione (ΔH°_c) è la variazione di entalpia prodotta nella combustione di una mole di un composto nel suo stato standard. Il potere calorifico è l'energia rilasciata dalla combustione di 1 kg di combustibile.

Legge di Hess

La Legge di Hess afferma che la quantità di calore scambiata nella formazione di un composto è costante e indipendente dal percorso seguito per ottenerlo, sia che si formi in un unico passaggio o attraverso più passaggi intermedi.

Diagramma di Entalpia

La Legge di Hess può essere rappresentata graficamente tramite un diagramma di entalpia.

Processi Spontanei, Reversibili e Irreversibili

I processi spontanei sono quelli che si verificano senza intervento esterno.

Processi Reversibili e Irreversibili

Un processo irreversibile è quello in cui un sistema si evolve spontaneamente, e per riportare il sistema allo stato originale è necessario fornire energia. Un processo reversibile è un processo ideale che si verifica molto lentamente, attraverso cambiamenti infinitesimali delle condizioni esterne, in modo che il sistema sia sempre in equilibrio. In questi processi, la direzione dell'evoluzione può essere invertita con una variazione infinitesimale delle condizioni esterne.

Seconda Legge della Termodinamica

La Seconda Legge della Termodinamica afferma che: "Tutti i sistemi isolati tendono spontaneamente ad aumentare il loro disordine (entropia)."

Entropia (S)

L'Entropia (S) è una misura del grado di disordine di un sistema. In un processo reversibile, l'entropia dell'universo rimane costante, mentre aumenta sempre in un processo irreversibile.

Terzo Principio della Termodinamica

Il Terzo Principio della Termodinamica afferma che un cristallo perfetto alla temperatura di 0 K (zero assoluto) ha un'entropia pari a zero. L'entropia aumenta se il cambiamento di stato fisico implica una transizione da ordine a disordine. Inoltre, l'entropia è influenzata dalla temperatura, dalla massa atomica o molecolare e dalla complessità del composto.