9.01 – Termodinamica chimica
La Termodinamica chimica è quella scienza che studia le trasformazioni avvenute in seguito a processi che coinvolgono cambiamenti di materia ed energia in un sistema.
Perchè è importante studiare la termodinamica chimica?
La termodinamica è fondamentale per capire tutti i processi chimici che ci circondano. Grazie alla termodinamica possiamo capire quali processi e in che condizioni possono o non possono avvenire.
É importante non confondere la termodinamica chimica con la cinetica chimica in quanto, la prima come abbiamo detto studia quali processi e in che condizioni possono o non possono avvenire a differenza della seconda che studia la velocità di una reazione ed i fattori che la influenzano.
- I concetti fondamentali per capire la termodinamica sono:
- Il sistema: Il sistema corrisponde alla porzione di materia che è oggetto del nostro studio.
- L’ambiente: L’ambiente corrisponde a tutto ciò che circonda il nostro sistema.
- Universo termodinamica: L’universo termodinamico corrisponde sia al sistema che l’ambiente esterno che lo circonda.
- I sistemi possono essere di 3 tipi:
- Sistema aperto: Il sistema aperto è un sistema che scambia con l’ambiente sia materia che energia. Un esempio è la bottiglia d’acqua aperta o il corpo umano.
- Sistema chiuso: Il sistema chiuso è un sistema che non scambia materia ma solo energia. Un esempio è la lampadina o la bottiglia di acqua chiusa.
- Sistema isolato: Il sistema isolato è un sistema che non scambia ne materia ne energia.
- Le reazioni in chimica possono essere:
- Esoergoniche: quando queste cedono energia.
- Endoergoniche: quando queste acquistano energia.
La quantità di calore che può essere assorbita o ceduta durante una reazione è direttamente proporzionale alla variazione di temperatura: q=cΔt
- q=lavoro
- c=capacità termica -> La quantità di calore necessaria per alzare di un grado la temperatura di una sostanza.
- Δt=variazione di temperatura
Se un corpo cede calore all’ambiente, dunque reazione esotermica, il lavoro q è negativo.
Se un corpo acquista calore , dunque reazione endotermica, il lavoro q è positivo.
I PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA
Il primo principio della termodinamica afferma che l’energia non si crea ne si distrugge ma si trasforma.
L’energia infatti può assumare più forme, possiamo considerla come calore o come lavoro.
- Definiamo il calore come l’energia che si scambia spontaneamente da un corpo caldo ad un corpo freddo e si misura in calorie.
- Definiamo il lavoro come l’energia presente quando una forza è applicata nello spazio. Il lavoro si misura in Joule (Newton * metro).
- Questo è positivo se è il sistema a svolgere il lavoro, mentre è negativo se il lavoro viene esercitato sul sistema stesso.
Grazie al primo principio della termodinamica possiamo trasformare il lavoro in calore e viceversa.
La relazione che lega il calore con il lavoro è legata all‘energia interna del sistema, in particolare:
ΔU=q+w
- ΔU=energia interna
- q=calore
- w=lavoro
L’energia interna è una funzione di stato: una funzione di stato è una funzione che dipende solo dallo stato iniziale e finale in cui il sistema si trova indipendentemente dal percorso.
- Quali sono le funzioni di stato? Le funzioni di stato sono 4 e sono:
- Energia interna
- Entalpia
- Entropia
- Energia di Gibbes
ENTALPIA
L’entalpia è una funzione di stato di un sistema ed esprime la quantità di energia che esso può scambiare con l’ambiente. Ad esempio, in una reazione chimica, l’entalpia scambiata dal sistema consiste nel calore assorbito o rilasciato nel corso della reazione. In un passaggio di stato, come la trasformazione di una sostanza dalla sua forma liquida a quella gassosa, l’entalpia del sistema è il calore latente di evaporazione. In un semplice processo di variazione della temperatura, l’entalpia scambiata dal sistema per variazioni unitarie di temperatura è data dalla capacità termica a pressione costante. L’entalpia viene indicata con la lettera “H”.
ENTROPIA
L’entropia è una grandezza che viene interpretata come una misura del disordine presente in un sistema fisico qualsiasi, incluso, come caso limite, l’Universo. Viene generalmente rappresentata dalla lettera S. Nel Sistema Internazionale si misura in joule fratto kelvin. Il secondo principio della termodinamica afferma che l’energia termica (il calore) fluisce sempre da un corpo più caldo a uno meno caldo e mai in direzione contraria. L’energia si ridistribuisce finché il sistema costituito dai due corpi raggiunge un equilibrio completo, entrambi hanno la stessa temperatura e non è più possibile il passaggio di calore dall’uno all’altro. L’entropia dunque può essere definita proprio come la misura del grado di equilibrio raggiunto da un sistema in un dato momento. A ogni trasformazione del sistema che provoca un trasferimento di energia (ovviamente senza aggiungere altra energia dall’esterno), l’entropia aumenta, perché l’equilibrio può solo crescere. In teoria, si può considerare un “sistema” anche l’intero universo e allora anche nel cosmo l’energia tende a distribuirsi dai corpi più caldi a quelli meno caldi e l’entropia aumenta. Quando tutto l’universo si troverà alla stessa temperatura (gli scienziati ipotizzano a pochi gradi al di sopra dello zero assoluto), l’entropia sarà massima e nessuna trasformazione sarà più possibile.
ENERGIA DI GIBBES
Entropia ed entalpia sono in relazione grazie all’energia di Gibbes.
L’energia libera di Gibbs (o entalpia libera) è una funzione di stato usata in termodinamica e termochimica per rappresentare l’energia libera nelle trasformazioni isotermobariche (cioè a pressione e temperaturacostante, come per la maggior parte delle reazioni chimiche), che determina la spontaneità di una reazione. Questa funzione di stato permette di determinare il lavoro utile ottenibile nella trasformazione di un sistema termodinamico a pressione e temperatura costante. La funzione equivalente in meccanica è l’energia potenzialeche rappresenta la possibilità di fare lavoro: in maniera simile l’energia libera di Gibbs è la massima quantità di lavoro, non dovuto all’espansione meccanica, che può essere estratta da un sistema chiuso (cioè un sistema che scambia calore e lavoro con il mondo esterno, ma non scambia materia). Tale massimo lavoro può essere ottenuto solo se le trasformazioni sono reversibili. Un sistema termodinamico a pressione e temperatura costante raggiunge l’equilibrio termodinamico quando l’energia libera di Gibbs raggiunge il minimo.
ΔG=ΔH-T*ΔS
con ΔG>0 la reazione NON è spontanea
-ΔG=ΔH-T*ΔS
con ΔG<0 la reazione è spontanea.
con ΔG=0 la reazione è all’equilibrio.