Termodinamica Chimica CaloreCalore Universita degli Studi dellInsubria Corsi di Laurea in Scienze...

Termodinamica Termodinamica ChimicaChimica

CaloreCaloreCaloreCalore

Universita’ degli Studi dell’Insubria Universita’ degli Studi dell’Insubria Corsi di Laurea in Scienze Corsi di Laurea in Scienze

Chimiche e Chimica IndustrialeChimiche e Chimica Industriale

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© Dario Bressanini 2

La La TemperaturaTemperatura riflette il riflette il movimento movimento casualecasuale delle particelle, ed è quindi delle particelle, ed è quindi correlata all’energia cinetica delle correlata all’energia cinetica delle molecolemolecole

IlIl Calore Calore coinvolge un coinvolge un trasferimento di trasferimento di energiaenergia tra due oggetti a temperatura tra due oggetti a temperatura differentedifferente

Calore e TemperaturaCalore e Temperatura


Il Calore fluisce da un corpo caldo ad uno freddo fino Il Calore fluisce da un corpo caldo ad uno freddo fino a quando non raggiungono la stessa temperaturaa quando non raggiungono la stessa temperaturaIl Calore fluisce da un corpo caldo ad uno freddo fino Il Calore fluisce da un corpo caldo ad uno freddo fino a quando non raggiungono la stessa temperaturaa quando non raggiungono la stessa temperatura

Flusso di CaloreFlusso di Calore

© Dario Bressanini

Flusso di Calore ed Equilibrio Flusso di Calore ed Equilibrio TermicoTermico

Quando un corpo Quando un corpo caldo viene messo a caldo viene messo a contatto con un corpo contatto con un corpo freddo, del calore freddo, del calore fluisce dal corpo caldo fluisce dal corpo caldo verso quello freddo, verso quello freddo, aumentando la sua aumentando la sua energia, sino a energia, sino a raggiungere raggiungere l’equilibrio termico.l’equilibrio termico.


Un processo si diceUn processo si dice

EsotermicoEsotermico: se il calore viene emesso : se il calore viene emesso daldal

sistema verso l’ambientesistema verso l’ambiente

EndotermicoEndotermico: se il calore viene assorbito : se il calore viene assorbito

daldal sistema ed emesso dall’ambiente sistema ed emesso dall’ambiente

Calore ScambiatoCalore Scambiato


Un sistema può scambiare energia con Un sistema può scambiare energia con l’ambiente mediantel’ambiente mediante CaloreCalore scambiato scambiato

LavoroLavoro eseguito eseguito (dal sistema o dall’ambiente)(dal sistema o dall’ambiente)

Scaldando un corpo, aumentiamo la sua Scaldando un corpo, aumentiamo la sua capacita’ di compiere lavoro e quindi capacita’ di compiere lavoro e quindi aumentiamo la sua energiaaumentiamo la sua energia

Anche compiendo lavoro sul sistema Anche compiendo lavoro sul sistema aumentiamo la sua energia, ad esempio aumentiamo la sua energia, ad esempio comprimendo un gas o tirando una molla.comprimendo un gas o tirando una molla.

Energia, Lavoro e CaloreEnergia, Lavoro e Calore


Calore e LavoroCalore e Lavoro

Joule mostrò come il Lavoro e il Calore Joule mostrò come il Lavoro e il Calore fossero convertibili l’uno nell’altrofossero convertibili l’uno nell’altro

Dopo aver variato l’Energia Dopo aver variato l’Energia di un sistema, questo non di un sistema, questo non ““ricordaricorda” se è stato eseguito ” se è stato eseguito del lavoro o se è stato del lavoro o se è stato scambiato del calorescambiato del calore


L’Esperimento di JouleL’Esperimento di Joule

Joules provò l’equivalenza Joules provò l’equivalenza tra calore e lavoro tra calore e lavoro meccanicomeccanico

Il lavoro eseguito per far Il lavoro eseguito per far ruotare le pale, causa un ruotare le pale, causa un aumento della aumento della temperatura dell’acquatemperatura dell’acqua

Joules mostrò anche che la quantità di calore Joules mostrò anche che la quantità di calore prodotto era proporzionale alla quantità di prodotto era proporzionale alla quantità di lavorolavoro


Simbolo: Simbolo: ww

Il Lavoro e’ energia Il Lavoro e’ energia ‘‘ordinataordinata’ che puo’ ’ che puo’ essere utilizzata per essere utilizzata per sollevare un peso sollevare un peso nell’Ambientenell’Ambiente

NonNon puo’ essere puo’ essere immagazzinata come immagazzinata come Lavoro. Esiste Lavoro. Esiste SOLAMENTESOLAMENTE durante il durante il processo in cui viene processo in cui viene eseguito il lavoro.eseguito il lavoro.

Lavoro: Energia in Lavoro: Energia in TTransitoransito


Simbolo: Simbolo: qq

Il Calore e’ energia ‘Il Calore e’ energia ‘disordinatadisordinata’ ’ che viene trasferita tra sistema che viene trasferita tra sistema e ambiente per ristabilire e ambiente per ristabilire l’equilibrio termico.l’equilibrio termico.

NONNON puo’ essere puo’ essere immagazzinato come Calore. immagazzinato come Calore. Esiste Esiste SOLAMENTESOLAMENTE durante il durante il processo in cui viene processo in cui viene scambiato.scambiato.

Calore: Energia per giungere all’EquilibrioCalore: Energia per giungere all’Equilibrio


Non si puo’ parlare di Non si puo’ parlare di CaloreCalore ContenutoContenuto in un corpo!! in un corpo!!

Solo di Solo di EnergiaEnergia contenuta contenuta

Calore Contenuto???Calore Contenuto???


Convenzione del SegnoConvenzione del Segno

Per convenzione, Lavoro e Calore sono Per convenzione, Lavoro e Calore sono negativinegativi se diminuiscono l’energia del se diminuiscono l’energia del sistema, sistema, positivipositivi se l’aumentano se l’aumentano

LavoroLavoro > 0 se e’ > 0 se e’ fatto sul sistemafatto sul sistema < 0 se e’ < 0 se e’ fatto dal sistemafatto dal sistema

CaloreCalore > 0 se e’ > 0 se e’ assorbito dal sistemaassorbito dal sistema < 0 se e’ < 0 se e’ emesso dal sistemaemesso dal sistema


Conversione di Lavoro in CaloreConversione di Lavoro in Calore

Temperatura di una palla da tennis prima e dopo l’urtoTemperatura di una palla da tennis prima e dopo l’urto


Il Il LavoroLavoro non è una funzione di stato, e non è una funzione di stato, e dipende dal cammino.dipende dal cammino.

Essendo il Essendo il LavoroLavoro e il e il CaloreCalore equivalenti in equivalenti in Termodinamica, neanche il Termodinamica, neanche il CaloreCalore è una è una funzione di statofunzione di stato

Il Il CaloreCalore è una particolare è una particolare formaforma di energia di energia e quindi non sorprende che non sia una e quindi non sorprende che non sia una funzione di stato.funzione di stato.

Calore e Lavoro non si Calore e Lavoro non si ConservanoConservano


Energia InternaEnergia Interna

Se Calore e Lavoro non esistono al di fuori del Se Calore e Lavoro non esistono al di fuori del processo in cui vengono trasferiti, cosa diventano?processo in cui vengono trasferiti, cosa diventano?

LL’’evidenza sperimentale evidenza sperimentale portava a concludere che portava a concludere che ogni corpo potesse ogni corpo potesse immagazzinareimmagazzinare l’energia l’energia internamente, senza trasformarla in energia cinetica internamente, senza trasformarla in energia cinetica totale del corpo ponendolo in movimento.totale del corpo ponendolo in movimento.

La La Termodinamica Termodinamica postula l’esistenza di una funzione postula l’esistenza di una funzione UU chiamata chiamata Energia InternaEnergia Interna

Non era chiaro cosa fosse l’Energia InternaNon era chiaro cosa fosse l’Energia Interna, e si , e si dovette aspettare la meccanica quantistica per dovette aspettare la meccanica quantistica per capirlo.capirlo.

E’ la somma dell’Energia E’ la somma dell’Energia CineticaCinetica e e PotenzialePotenziale Molecolare Molecolare (Energia traslazionale, rotazionale, vibrazionale,(Energia traslazionale, rotazionale, vibrazionale,…)…)



L’energia Interna L’energia Interna PUO’PUO’ venire venire immagazzinataimmagazzinata

Esiste una UEsiste una Uii prima del processo e una U prima del processo e una Uff

dopo il processo. Esiste quindi un dopo il processo. Esiste quindi un U = UU = Uff - -

UUii

U e’ una funzione di statoU e’ una funzione di stato U U si comporta come una “banca”. si comporta come una “banca”.

Eseguendo lavoro sul sistema, U Eseguendo lavoro sul sistema, U immagazzina una quantità equivalente di immagazzina una quantità equivalente di energia. Questa poi può essere ceduta energia. Questa poi può essere ceduta sotto forma di lavoro, o di calore o in altro sotto forma di lavoro, o di calore o in altro modomodo

© Dario Bressanini

UU = = qq + + ww

Prima Legge della Prima Legge della TermodinamicaTermodinamica

Nonostante il Calore e il Lavoro non Nonostante il Calore e il Lavoro non siano delle funzioni siano delle funzioni ddi stato, i stato, sperimentalmentesperimentalmente si osserva che la si osserva che la loro somma è una variazione di una loro somma è una variazione di una funzione di stato chiamata funzione di stato chiamata Energia Energia InternaInterna


Il Primo principio della Termodinamica Il Primo principio della Termodinamica racchiude più osservazioni sperimentaliracchiude più osservazioni sperimentali Calore e Lavoro sono equivalentiCalore e Lavoro sono equivalenti

Esiste una funzione di stato chiamata Esiste una funzione di stato chiamata UU che che rappresenta l’energia “interna” del sistemarappresenta l’energia “interna” del sistema

Se il sistema è isolato, Se il sistema è isolato, qq = = ww = 0 = 0, per cui , per cui UU = = 00: : l’energia si conserval’energia si conserva

Notate che non scriviamo Notate che non scriviamo q o q o ww

U = q + wU = q + w


CorollarioCorollario

L’Energia L’Energia dell’Universo è dell’Universo è

costantecostante

L’Energia L’Energia dell’Universo è dell’Universo è

costantecostante


Il Primo Principio in Forma Il Primo Principio in Forma DifferenzialeDifferenziale

Abbiamo gia’ visto come spesso sia utile Abbiamo gia’ visto come spesso sia utile considerare dei cambiamenti infinitesimi su considerare dei cambiamenti infinitesimi su un sistema, invece di cambiamenti finitiun sistema, invece di cambiamenti finiti

Il primo principioIl primo principio U = q + wU = q + w in in forma differenziale diventaforma differenziale diventa

ddU = U = ddq + q + ddww



L’Energia interna U e’ una funzione di L’Energia interna U e’ una funzione di Stato. La termodinamica ci assicura che Stato. La termodinamica ci assicura che DEVEDEVE essere esprimibile in funzione delle essere esprimibile in funzione delle altre variabili termodinamichealtre variabili termodinamiche

U = U(p,V,T)U = U(p,V,T)

L’equazione di stato che lega L’equazione di stato che lega pp, , VV e e TT non non fornisce alcuna informazione su fornisce alcuna informazione su UU, che , che deve quindi essere ricavata deve quindi essere ricavata separatamente.separatamente.

Due gas possono seguire la legge dei gas Due gas possono seguire la legge dei gas ideali, ma avere un comportamento di ideali, ma avere un comportamento di UU diversodiverso


U per un Gas Ideale U per un Gas Ideale MonoatomicoMonoatomico

Dalla teoria cinetica dei Gas, abbiamo Dalla teoria cinetica dei Gas, abbiamo ottenuto che per un gas ideale ottenuto che per un gas ideale monoatomicomonoatomico

nRTUTU2

3)0()( nRTUTU2

3)0()(

Lo Zero delle energie e’ imprecisato, ma Lo Zero delle energie e’ imprecisato, ma non ha importanza in Termodinamica, non ha importanza in Termodinamica, poiche’ interessano solo le variazioni di poiche’ interessano solo le variazioni di EnergiaEnergia

Dipende Dipende SOLOSOLO da da TT, non da , non da VV o o pp


Processo AdiabaticoProcesso Adiabatico

U = q + wU = q + w In un processo adiabatico, q = 0, e quindi w In un processo adiabatico, q = 0, e quindi w

= = U U


Isotermo Reversibile: Isotermo Reversibile: T = costanteT = costante

w = nRTln(Vw = nRTln(Vff/V/Vii))

Isobaro: Isobaro: p = costantep = costante

w = pw = pVV

Adiabatico: Adiabatico: q = 0q = 0 pVpV = costante = costante

w = w = UU

Isocoro: Isocoro: V = costanteV = costante

w = 0w = 0

Lavoro per un Gas IdealeLavoro per un Gas Ideale


Processi Termodinamici ComuniProcessi Termodinamici Comuni

1:Isobaro 2:Isotermo 3:Adiabatico 4:Isocoro1:Isobaro 2:Isotermo 3:Adiabatico 4:Isocoro

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