Termodinamica 17/11/2023 - Chimica PDF

Chimica e propedeutica biochimica ———————————————————————————————————— LA TERMODINAMICA ———————————————————————————————————— Prof.Anastasia - data lezione:17/11/2023 - Autore:Chiara Cordua - Revisore:Chiara Iovene - Linea Gialla Verde - 2029 ——————————————————————————————————————————-...

Chimica e propedeutica biochimica ———————————————————————————————————— LA TERMODINAMICA ———————————————————————————————————— Prof.Anastasia - data lezione:17/11/2023 - Autore:Chiara Cordua - Revisore:Chiara Iovene - Linea Gialla Verde - 2029 ——————————————————————————————————————————- La termodinamica La termodinamica studia le variazioni e le trasformazioni di energia che accompagnano i processi chimici e fisici. La termodinamica ci permette di prevedere, per una determinata reazione, se questa avviene spontaneamente o se sia necessario un fattore “esterno” (non spontanea): Una reazione si dice SPONTANEA se l’energia dei prodotti è minore rispetto a quella dei reagenti. Viceversa, essa sarà considerata NON SPONTANEA se l’energia dei prodotti è superiore a quella dei reagenti. Nel meccanismo di una reazione ha a che fare la cinetica, più precisamente su come questo influenzi la velocità. Vedremo che un’elemento importante a questo proposito sarà la temperatura.Quest’ultima infatti influenza sia la termodinamica che la cinetica di una reazione. PERCHE’ STUDIAMO LA TERMODINAMICA? Gli organismi viventi sono macchine termodinamiche che convertono l’energia in diverse forme e questo avviene secondo le leggi della termodinamica che definiscono come l’energia è scambiata all’interno di un sistema e fra un sistema e l’ambiente che lo circonda. Ma come definiamo l’energia? L’energia è il risultato di quello che definiamo il compimento di un lavoro e tutto quello in cui può essere convertito.L’energia totale di un sistema è data dalla somma di due tipi di energia.quella cinetica (K) e quella potenziale (U), ed essa, per il primo principio della termodinamica, è costante se il sistema è isolato e non c’è attrito (altrimenti l’energia verrebbe trasformata in calore). Definizioni generali Quando avviene una reazione è necessario considerare il sistema di reazione cioè la porzione di spazio in cui la reazione avviene. Sono esempi di sistemi di reazione le cellule o i recipienti di laboratorio. I sistemi possono essere di tre tipologie: -sistema aperto: l’ambiente in cui avviene la reazione presa in considerazione può scambiare con l’esterno materia ed energia (l’energia si può scambiare con l’esterno sotto forma di calore che di lavoro): -sistema chiuso: l’ambiente in cui avviene consente un flusso di energia con l’ambiente estero, attraverso il suo confine, (tramite calore e/o lavoro) ma non di massa -sistema isolato:se non permette un flusso di energia né di massa con l’ambiente esterno. Differenze tra un sistema meccanico ed un sistema termodinamico Nei vari studi della fisica e della meccanica classica si prendono sempre in considerazione singoli oggetti (punti materiali) e le loro caratteristiche (moto, forze che agiscono su di essi ,ecc,). Invece nelle reazioni chimiche si prendono in considerazione numeri elevati di molecole e così,in un sistema che potremmo definire abbastanza complesso, non si riesce a comprendere cosa accada a livello della singola molecola o particella.Un sistema termodinamico non viene studiato analizzando le proprietà individuali delle particelle.ma le proprietà macroscopiche medie risultanti. (ad es.,non si può fare riferimento alla temperatura della singola molecola, ma essa viene definita come un’espressione della media dell’energia cinetica delle particelle). Per descriverlo dunque si utilizzano le cosiddette VARIABILI DI STATO VARIABILI DI STATO Per descrivere un sistema termodinamico in modo univoco e definirne lo stato, si devono fissare alcune proprietà dette variabili di stato.Queste grandezze non sono definite univocamente, ma dipenderanno dal sistema considerato.Inoltre queste sono spesso interdipendente, per cui per fissare lo stato di un sistema è sufficiente misurarne alcune e non tutte. Da questa espressione, si può ricavare una variabile di stato conoscendo le altre tre. In termodinamica, per descrivere cambiamenti di energia in un sistema si utilizzano le funzioni di Stato, cioè delle relazioni tra le variabili di Stato, in cui il valore finale della variazione dipenderà solo dallo stato iniziale e finale del sistema, e non dal modo in cui esso è raggiunto. Esistono però anche delle funzioni, chiamate funzioni di percorso, che dipendono non solo dallo Stato finale e da quello iniziale, ma anche dal modo in cui questa variazione si compie. Un esempio di funzioni di percorso è l’attrito, in quanto il suo valore finale dipende dal percorso compiuto. COSA SUCCEDE DAL PUNTO DI VISTA CHIMICO DURANTE UNA REAZIONE? Se, come abbiamo detto prima l’energia è definita come la capacità di un corpo o di un sistema di compiere lavoro, come si collega questa definizione alla variazione di energia che avviene durante una reazione chimica? Nella seguente reazione di combustione del metano, si rompono dei legami e se ne formano dei nuovi con rilascio di anidride carbonica e acqua.si dirà che questa reazione avviene spontaneamente per tre motivi principali: perché viene emessa energia; perché l’energia dei nuovi legami è maggiore rispetto a quella dei vecchi; e perché una parte di energia viene ceduta all’ambiente sotto forma di calore. Una molecola che si muove in soluzione-si pensi al glucosio disciolto nel sangue-avrà due tipi di energia: -un’energia chimica intrinseca dovuta al fatto che gli atomi legati lo sono tramite legami covalenti questa è quella che in fisica classica si definisce come energia potenziale -energia cinetica Dovuta al movimento della molecola e che dipende dalla temperatura del sistema. Appare chiaro che studiare le variazioni di energia in un sistema sia compito estremamente complesso: non solo è necessario studiare il comportamento medio delle particelle ma essi hanno addirittura due energie variabili! Considerando un sistema non isolato, le variazioni di energia possono avvenire in tre modi: -eseguendo o subendo un lavoro -cedendo o acquistando calore -sia scambiando energia sotto forma di lavoro sia scambiando energia sotto forma di calore. Avendo posto queste premesse si può enunciare il primo principio della termodinamica che stabilisce che: la somma dell’energia potenziale e cinetica di un sistema viene definita energia interna ed essa in un sistema isolato è costante. L’energia interna, però, non è definibile in valore assoluto ( come non lo sono le variabili di Stato): ciò comporta che, quando si parla di energia interna, in realtà si sta facendo riferimento alla variazione di essa, ottenuto dal confronto dei valori che essa assume nello stato iniziale e finali, unici valori sperimentalmente misurabili.ad esempio quando si assiste alla formazione dei legami, si può conoscere la quantità di energia da fornire per rompere i legami precedenti, l’energia rilasciata alla fine della formazione nuovi legami, ma non si può determinare, in valore assoluto, l’energia quando il legame è formato. Ciò che consente di misurare la variazione di energia è il fatto che, per il primo principio termodinamica, l’energia interna di un sistema è costante.ciò accade perché, studiando il sistema di reazione e l’ambiente circostante, in realtà si prende in considerazione tutto l’universo: questo significa che durante una reazione, anche se si trasferisce energia dal sistema all’ambiente o viceversa, il valore complessivo dell’energia rimane costante. Inoltre, sempre in base al primo principio della termodinamica, l’energia non può essere né creata né distrutta ma subire soltanto trasformazioni.considerando un sistema chiuso, se si vuole far avvenire una variazione di energia, l’unico modo per farlo è scambiare con l’ambiente esterno calore e/o lavoro, la somma della variazione di energia, proprio sotto forma di calore è lavoro restituisce il valore della variazione di energia interna secondo la formula: Per convenzione, se il sistema cede energia all’ambiente circostante, l’energia ceduta avrà segno negativo, se invece dall’ambiente si fornisce energia al sistema, tale variazione avrà segno positivo. DIFFERENZA TRA TEMPERATURA E CALORE Per comprendere come avvengono gli scambi di energia sotto forma di calore bisogna chiarire la differenza tra temperatura e calore. La temperatura è una misura dell’energia cinetica media delle particelle considerate in un certo campione. Indica lo stato termico, ovvero lo stato di agitazione delle molecole di un certo sistema. Il calore è una forma di energia termica che si può trasferire tra ambiente e sistema o tra due corpi quando questi si trovano a temperatura differenti. Tra due oggetti a temperatura diversa, per esempio, un’organismo e l’area ad esso circostante, avviene uno scambio di energia sotto forma di calore dall’oggetto con temperatura più alta a quello con temperatura più bassa, finché non si arriva ad un equilibrio termico. Il contrario non avviene mai: un corpo con temperatura superiore a quella di una stanza in cui si trova non può raffreddare l’ambiente ad esso circostante. Ciò implica che l’energia passa sempre da temperature più alte a temperature più basse. Un bicchiere contenente del caffè caldo lasciato in ambiente diminuisce la sua temperatura fino ad avere la temperatura dell’ambiente; questo avviene perché l’ambiente è molto grande il calore ceduto dal caffè si disperde e non modifica significativamente la temperatura del sistema, mentre in un ambiente ristretto sarebbe possibile osservare che mentre si abbassa la temperatura del caffè si alza la temperatura dell’ambiente fino a raggiungere una stessa temperatura. CAPACITÀ TERMICA SPECIFICA È possibile misurare il calore trasferito perché è uguale ad una costante di proporzionalità, detta capacità termica, moltiplicata per la variazione di temperatura. La capacità termica di un sistema è la quantità di colore necessaria per cambiare la sua temperatura di 1°. Una pentola contenente acqua, che viene scaldata con una fiamma, necessita di una quantità di calore diversa rispetto a quella necessaria per una pentola contenente il doppio dell’acqua. Questo avviene perché il numero di molecole da agitare per fare aumentare l’energia termica media sarà il doppio. La capacità termica dell’acqua dipende quindi dal volume; di conseguenza la quantità di calore che bisogna fornire per far aumentare di 1° 1 l d’acqua e la quantità di calore da fornire per far aumentare di 1° 2 l d’acqua saranno diverse. La capacità termica è quindi una grandezza estensiva in quanto dipende sia dalla sostanza ma anche dalla quantità di sostanza che bisogna scaldare. Si parla quindi di capacità termica specifica, cioè la quantità di calore necessaria ad innalzare la temperatura di 1° considerando 1 g di sostanza.