Chimica Fisica EntropiaEntropia Universita degli Studi dellInsubria [email protected] .

Chimica FisicaChimica Fisica

EntropiaEntropiaEntropiaEntropia

Universita’ degli Studi dell’Insubria Universita’ degli Studi dell’Insubria

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© Dario Bressanini

Seconda Legge della Seconda Legge della TermodinamicaTermodinamica

L’entropia di un sistema isolato L’entropia di un sistema isolato durante un processo spontaneo durante un processo spontaneo

aumentaaumenta

L’entropia di un sistema isolato L’entropia di un sistema isolato durante un processo spontaneo durante un processo spontaneo

aumentaaumenta

0 totS 0 totS

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Entropia: RiassuntoEntropia: Riassunto

SS e’ una funzione di stato! e’ una funzione di stato! SStottot = = SSsissis + + SSambamb

SeSeSStottot e’ positivo il processo e’ spontaneoe’ positivo il processo e’ spontaneo

Se Se SStottot e’ negativo, il processo e’ e’ negativo, il processo e’

spontaneo nella direzione opposta.spontaneo nella direzione opposta.

In un processo spontaneo, l’Entropia In un processo spontaneo, l’Entropia dell’universo aumenta sempredell’universo aumenta sempre

In un processo spontaneo, l’Entropia In un processo spontaneo, l’Entropia dell’universo aumenta sempredell’universo aumenta sempre

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Entropia per processi spontaneiEntropia per processi spontanei

Per processi spontaneiPer processi spontanei SStottot = = SSsissis + + SSambamb

> 0> 0

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Processi SpontaneiProcessi Spontanei

Un processo è spontaneo se l’entropia Un processo è spontaneo se l’entropia dell’Universo aumenta.dell’Universo aumenta.

SStottot = = SSsissis + + SSambamb 0 0

É scomodo dover esplicitamente tener É scomodo dover esplicitamente tener conto di quello che succede nell’Universo. conto di quello che succede nell’Universo. Preferiremmo concentrarci solo sul sistema.Preferiremmo concentrarci solo sul sistema.

Se lavoriamo a Se lavoriamo a pressione costantepressione costante è facile è facile tener conto dei contributi entropici tener conto dei contributi entropici dell’ambiente.dell’ambiente.

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Energia di GibbsEnergia di Gibbs

Introduciamo la funzioneIntroduciamo la funzioneG = H – T SG = H – T S

G = energia di Gibbs G = energia di Gibbs (un tempo ‘(un tempo ‘energia libera’energia libera’))

La variazione finita di G è La variazione finita di G è G = G = H- H- (TS)(TS)

A Temperatura e pressione costanteA Temperatura e pressione costante

G = G = H- TH- TSS

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Energia di Gibbs e SpontaneitàEnergia di Gibbs e Spontaneità

G < 0G < 0 - processo spontaneo - processo spontaneo G > 0G > 0 - processo non spontaneo - processo non spontaneo

(spontaneo nella direzione opposta)(spontaneo nella direzione opposta) G = 0G = 0 - sistema in equilibrio - sistema in equilibrio

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Energia di Gibbs e UniversoEnergia di Gibbs e Universo

G < 0 G < 0 SSuniversouniverso > 0 > 0

Se Se pp e T sono costanti e T sono costanti

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Contributi al Contributi al GG

G = G = H - TH - TS S Distinguiamo i due contributi alla Distinguiamo i due contributi alla

variazione di energia di Gibbsvariazione di energia di Gibbs Entropico (Entropico (S)S) Entalpico (Entalpico (H)H)

H H S S G .G .

-- ++ -- Processo spontaneo per ogni T Processo spontaneo per ogni T

-- -- ?? Processo spontaneo a basse T Processo spontaneo a basse T

++ + + ?? Processo spontaneo ad alte Processo spontaneo ad alte TT

++ -- ++ Processo mai spontaneo per Processo mai spontaneo per qualsiasi Tqualsiasi T

Macchine Macchine Termiche eTermiche e

Ciclo di Carnot Ciclo di Carnot

Macchine Macchine Termiche eTermiche e

Ciclo di Carnot Ciclo di Carnot

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Macchine TermicheMacchine Termiche

Una macchina termica opera Una macchina termica opera tra duetra due tempetemperaturerature diverse diverse e trasforma e trasforma parteparte del calore del calore in lavoroin lavoro

Il fluido interno compie un Il fluido interno compie un ciclociclo

SerbatoiSerbatoio Caldoo Caldo

SerbatoiSerbatoio Freddoo Freddo

FluidFluidoo

IsolanteIsolante

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MotoreMotore

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11

22

qqHHTTHH= = costantecostante

3344 qqLL

TTLL= = costantecostante

VV

pp

Ciclo di CarnotCiclo di Carnot

1-2 : Isoterma1-2 : Isoterma

2-3 : Adiabatica2-3 : Adiabatica

3-4 : Isoterma3-4 : Isoterma

4-1 : Adiabatica4-1 : Adiabatica

Lavoro EstrattoLavoro Estratto

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Efficienza:Efficienza:Lavoro Compiuto / Calore Lavoro Compiuto / Calore AssorbitoAssorbito = = 1-T1-TCC/T/THH

Nessun ciclo puo’ essere piu’ Nessun ciclo puo’ essere piu’ efficiente di un ciclo di Carnot efficiente di un ciclo di Carnot senza violare la Seconda senza violare la Seconda LeggeLegge

Si puo’ tendere a Si puo’ tendere a Efficienza Efficienza 11 se se TTC C 00

Percorrendo un ciclo in senso Percorrendo un ciclo in senso antiorario otteniamo un antiorario otteniamo un frigorifero.frigorifero.

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Il Ciclo di OttoIl Ciclo di Otto

Quattro TempiQuattro Tempi

112: adiabatica lenta2: adiabatica lenta 223: isocora veloce3: isocora veloce 334: adiabatica lenta4: adiabatica lenta 441: isocora veloce1: isocora veloce

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Passo 1: Entra la miscela aria benzina dal Passo 1: Entra la miscela aria benzina dal carburatorecarburatore

Motore a ciclo di OttoMotore a ciclo di Otto

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Passo 2: Compressione della miscelaPasso 2: Compressione della miscela

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Passo 3: Accensione ed espansione della miscelaPasso 3: Accensione ed espansione della miscela

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Passo 4: Scarico dei GasPasso 4: Scarico dei Gas

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Ciclo di StirlingCiclo di Stirling

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Lavoro ed Energia di GibbsLavoro ed Energia di Gibbs

L’Energia di Gibbs rappresenta il L’Energia di Gibbs rappresenta il massimo lavoro non di espansione massimo lavoro non di espansione ottenbile da un processoottenbile da un processo

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G = G = H - T H - T S oppure S oppure

HH = = G G + + T T S SEnergiaDisponibile

Lavoroutilizzabile

EnergiaDispersa

BenzinaBenzina

Energia Energia Interna Interna

Legami Legami ChimiciChimici

Ruote che Ruote che girano, girano, batteria batteria che si che si carica, carica, luci…luci…

Calore Calore disperso disperso nell’ambiente, nell’ambiente, che aumenta che aumenta l’entropia l’entropia dell’univrsodell’univrso

Variazione di Energia di GibbsVariazione di Energia di Gibbs

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EfficienzaEfficienza

L’efficienza e’ il rapporto tra il lavoro L’efficienza e’ il rapporto tra il lavoro estratto e l’energia fornita.estratto e l’energia fornita.

ApparecchioApparecchio efficienzaefficienza

Batterie a seccoBatterie a secco 90%90%Caldaia domesticaCaldaia domestica 65%65%Razzo a combustibile liquidoRazzo a combustibile liquido 50%50%Motore di automobileMotore di automobile < 30%< 30%Lampada a fluorescenzaLampada a fluorescenza 20%20%Cella solareCella solare ~10 %~10 %Lampada ad incandescenzaLampada ad incandescenza 5 % 5 %

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G indicatore di efficienzaG indicatore di efficienza

Per un processo non spontaneo, Per un processo non spontaneo, G fornisce G fornisce informazioni sulla minima quantita’ di lavoro informazioni sulla minima quantita’ di lavoro necessaria per far avvenire il processonecessaria per far avvenire il processo

Non e’ raggiungibile ilNon e’ raggiungibile il 100% di efficienza 100% di efficienza

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Crisi Energetica?Crisi Energetica?

Il problema e’ la degradazione delle forme di Il problema e’ la degradazione delle forme di energia.energia.A mano a mano che trasformiamo l’energia, A mano a mano che trasformiamo l’energia, diminuiamo la parte utile. Stiamo rapidamente diminuiamo la parte utile. Stiamo rapidamente consumando l’energia immagazzinata nei consumando l’energia immagazzinata nei combustibili fossili.combustibili fossili.

Se l’energia totale si conserva, perche’ abbiamo Se l’energia totale si conserva, perche’ abbiamo un “problema energetico” ?un “problema energetico” ?

Tutta (o quasi) l’energia che usiamo arriva da Tutta (o quasi) l’energia che usiamo arriva da un’unica fonte: il Soleun’unica fonte: il Sole IdrodinamicaIdrodinamica EolicaEolica Combustibili fossiliCombustibili fossili ……

III Legge della III Legge della TermodinamicaTermodinamicaIII Legge della III Legge della TermodinamicaTermodinamica

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S(T=0)S(T=0)

Per T = 0, tutto il moto termico si è Per T = 0, tutto il moto termico si è smorzato, e in cristallo perfetto gli atomi o smorzato, e in cristallo perfetto gli atomi o gli ioni formano un reticolo regolare ed gli ioni formano un reticolo regolare ed uniforme.uniforme.

Vi è un solo modo per ottenere questo Vi è un solo modo per ottenere questo arrangiamentoarrangiamento

S = k log(W) = k log(1) = 0S = k log(W) = k log(1) = 0

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III Legge della TermodinamicaIII Legge della Termodinamica

A differenza delle Entalpie, le entropie hanno una A differenza delle Entalpie, le entropie hanno una scala assoluta, grazie alla Terza Legge.scala assoluta, grazie alla Terza Legge.

l’Entropia di un cristallo perfetto a 0 K è l’Entropia di un cristallo perfetto a 0 K è 00

l’Entropia di un cristallo perfetto a 0 K è l’Entropia di un cristallo perfetto a 0 K è 00

SeveriniSeverini

S > 0S > 0

PollockPollock

S = SS = S maxmax

Terza Legge della Terza Legge della TermodinamicaTermodinamicaTerza Legge della Terza Legge della TermodinamicaTermodinamica

Se T = 0 con ordine Se T = 0 con ordine massimo, S = 0massimo, S = 0

MondrianMondrian

S > 0S > 0

S = 0S = 0

RobertRobert

Entropia Crescente

Entropia Crescente

Entropia Crescente

Entropia Crescente

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Tra il Serio e il Faceto...Tra il Serio e il Faceto...

Prima LeggePrima Legge: : Non puoi vincere!Non puoi vincere! Non puoi ricavare da un sistema piu’ energia di Non puoi ricavare da un sistema piu’ energia di

quella che ci metti dentroquella che ci metti dentro

Seconda LeggeSeconda Legge: : Non puoi neanche Non puoi neanche pareggiare!pareggiare! Non puoi tirare fuori neanche tutta l’energia che Non puoi tirare fuori neanche tutta l’energia che

ci metti dentroci metti dentro

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