Termodinamica delle Sostanze Pure e Principi dei Passaggi di Stato

Sostanze Pure e Passaggi di Stato

Nello studio delle sostanze pure, è fondamentale comprendere come l'energia venga scambiata durante i passaggi di stato e le variazioni di temperatura. Di seguito sono riportate le formule principali utilizzate per il calcolo del calore (Q):

• Q1 = m * Cn * ΔT: Calore necessario per variare la temperatura del ghiaccio (m: massa d'acqua, Cn: calore specifico del ghiaccio).
• Q2 = m * λf: Calore latente di fusione per il ghiaccio.
• Q3 = m * C * ΔT: Calore sensibile dell'acqua liquida (C: 1 Kcal/Kg·m o 1 cal/g°C).
• Q4 = λv * m: Calore latente di vaporizzazione per l'H2O (λv: 540 Kcal/Kg o 970 BTU/LBM).
• Q5 = m * Cv * ΔT: Calore necessario per riscaldare il vapore (Cv: 0.45 Kcal/Kg·m).

Esempio Pratico di Calcolo Termodinamico

Supponiamo di avere 200 grammi di ghiaccio a -10 °C e di voler calcolare l'energia necessaria per convertirli in vapore a 120 °C, con una pressione esterna di 760 mmHg. I valori di calore specifico sono 0.5 cal/g°C per il ghiaccio e 0.45 cal/g°C per il vapore.

Sviluppo del Calcolo:

1. Riscaldamento del ghiaccio: Q1 = 200g * 0.5 cal/g°C * 10°C = 1000 cal
2. Fusione del ghiaccio: Q2 = 200g * 80 cal/g = 16000 cal
3. Riscaldamento dell'acqua: Q3 = 200g * 1 cal/g°C * 100°C = 20000 cal
4. Vaporizzazione dell'acqua: Q4 = 200g * 540 cal/g = 108000 cal
5. Riscaldamento del vapore: Q5 = 200g * 0.45 cal/g°C * 20°C = 1800 cal

Q_TOTALE = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 = 146.800 cal

Qualità e Proprietà del Vapore

La qualità del vapore (x) indica la frazione di massa di vapore rispetto alla massa totale del sistema:

• x = massa vapore / massa totale
• y = massa liquida / massa totale (frazione di umidità)

Parametri Specifici

Per determinare lo stato termodinamico nei punti di vaporizzazione, si utilizzano i volumi specifici ricavati dalle tabelle (TAB):

• Vf: Volume specifico del liquido saturo.
• Vg: Volume specifico del vapore saturo.
• Vfg: Differenza tra vapore saturo e liquido saturo (Vg - Vf).
• V: Volume specifico in un punto qualsiasi del processo: V = Vf + x * Vfg.

Altre relazioni fondamentali includono l'entalpia (h), l'energia interna (u) e l'entropia (s):

• h = u + P * V
• h = hf + x * hfg
• u = uf + x * ufg
• s = sf + x * sfg

Definizioni e Principi della Termodinamica

La termodinamica è la scienza che studia i cambiamenti energetici che si verificano nei processi fisici e chimici.

Il Sistema Termodinamico

Un sistema è una porzione dell'universo separata dal resto da confini arbitrari, reali o fittizi. In base alla loro capacità di scambio con l'ambiente, i sistemi si classificano in:

• Aperti: Scambiano materia ed energia.
• Chiusi: Scambiano solo energia.
• Isolati: Non scambiano né materia né energia.

Variabili e Funzioni di Stato

Le proprietà termodinamiche possono essere estensive (dipendono dalla quantità di materia, come la massa) o intensive (non dipendono dalla quantità di materia, come la temperatura). Le funzioni di stato sono variabili il cui valore dipende solo dallo stato attuale del sistema e non dal percorso seguito per raggiungerlo.

Primo Principio della Termodinamica

La variazione di energia interna (ΔU) di un sistema è pari alla somma del calore (Q) scambiato e del lavoro (W) compiuto: ΔU = Q + W.

Convenzione dei segni:

• Q > 0 e W > 0: Flusso di calore o lavoro dall'ambiente verso il sistema (positivo).
• Q < 0 e W < 0: Flusso di calore o lavoro dal sistema verso l'ambiente (negativo).

Tipologie di Processi Termodinamici

• Isotermo (ΔT = 0): Il calore scambiato è uguale al lavoro svolto (Q = -W).
• Adiabatico (Q = 0): La variazione di energia interna è uguale al lavoro (ΔU = W).
• Isocoro (ΔV = 0): Il calore scambiato a volume costante (Qv) è uguale alla variazione di energia interna (ΔU = Qv).
• Isobaro (P = costante): Il calore scambiato a pressione costante (Qp) è uguale alla variazione di entalpia (ΔH).

Termochimica ed Entropia

Entalpia e Legge di Hess

L'entalpia standard di reazione (ΔH°) è il calore scambiato in una reazione dove reagenti e prodotti sono nei loro stati standard. L'entalpia standard di formazione (ΔH°f) è l'entalpia per la formazione di una mole di sostanza a partire dai suoi elementi costitutivi.

Legge di Hess: Se una reazione avviene in più fasi, la variazione di entalpia totale è pari alla somma delle variazioni di entalpia delle singole fasi intermedie.

Secondo e Terzo Principio della Termodinamica

L'entropia (S) è una funzione di stato che misura il grado di disordine molecolare. Aumenta con il disordine e diminuisce con l'ordine molecolare.

• Secondo Principio: L'entropia dell'universo aumenta in ogni processo spontaneo e rimane costante in un processo in equilibrio.
• Entropia Molare Standard (S°): Entropia di una mole di sostanza a 1 atm e 25 °C.
• Terzo Principio: L'entropia di una sostanza pura cristallina, perfettamente ordinata, è pari a zero allo zero assoluto (0 K).