Termodinamica Chimica [email protected] Principi e Definizioni Universita degli Studi...

TermodinamicTermodinamica Chimicaa Chimica

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Principi e DefinizioniPrincipi e Definizioni

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

© Dario Bressanini2

Realta’ e ModelliRealta’ e Modelli La realta’ e’ spesso troppo La realta’ e’ spesso troppo complessacomplessa per poter essere per poter essere

studiata in modo semplice, preciso e accurato.studiata in modo semplice, preciso e accurato.

Gli scienziati ricorrono a delle Gli scienziati ricorrono a delle semplificazionisemplificazioni, a volte , a volte

drastiche, in modo pero’ da mantenere sempre le drastiche, in modo pero’ da mantenere sempre le

caratteristiche salienti del fenomeno da studiarecaratteristiche salienti del fenomeno da studiare

Una teoria scientifica deve essere la più semplice possibile... ma non troppo semplice (A. Einstein)

Si usano dei Si usano dei ModelliModelli


Modelli ?Modelli ?


ModelliModelli

Un modello e’ una Un modello e’ una costruzione teoricacostruzione teorica che cerca di che cerca di

catturare, piu’ o meno fedelmente, uno o piu’ aspetti di catturare, piu’ o meno fedelmente, uno o piu’ aspetti di

un fenomenoun fenomeno

Un modello semplifica, diminuisce la Un modello semplifica, diminuisce la complessitacomplessita’ di ’ di

un fenomeno, aiuta a capire, ma approssimaun fenomeno, aiuta a capire, ma approssima

Scegliere un modello “Scegliere un modello “correttocorretto” è difficile.” è difficile.


Complessita’Complessita’


AstrazioneAstrazione

L’astrazione e’ una L’astrazione e’ una semplificazionesemplificazione conscia di qualche conscia di qualche

aspetto di un fenomeno o di un problema, che ci permette aspetto di un fenomeno o di un problema, che ci permette

di concentrarsi di concentrarsi sugli aspetti salientisugli aspetti salienti e e non sui dettaglinon sui dettagli Una rappresentazione di qualche cosaUna rappresentazione di qualche cosa Spesso meno dettagliata dell’originaleSpesso meno dettagliata dell’originale Nasconde o elimina informazione poco o non rilevanteNasconde o elimina informazione poco o non rilevante Puo’ essere difficile da capire senza una adeguato allenamentoPuo’ essere difficile da capire senza una adeguato allenamento

Il colore di un missile e’ irrilevante per Il colore di un missile e’ irrilevante per calcolare la sua traiettoriacalcolare la sua traiettoria


AstrazioneAstrazione


Pensare per ModelliPensare per Modelli

René MagritteRené Magritte


Modelli in ChimicaModelli in Chimica


Sistema, Ambiente e Sistema, Ambiente e UniversoUniverso

Nello studio di un fenomeno, si cerca di isolare la Nello studio di un fenomeno, si cerca di isolare la

‘zona di spazio’ dove avviene il fenomeno da quello ‘zona di spazio’ dove avviene il fenomeno da quello

che la circonda.che la circonda.

UniversUniversoo

SistemaSistema

Ambiente

SISTEMASISTEMA

++

AMBIENTEAMBIENTE

==

UNIVERSOUNIVERSO


Sistema e AmbienteSistema e Ambiente

ProvettaProvetta - Laboratorio- Laboratorio Branco di leoni Branco di leoni - Savana- Savana Atmosfera terrestre Atmosfera terrestre - Superficie terrestre + - Superficie terrestre +

spaziospazio Cellula Cellula - Cellule circostanti- Cellule circostanti Economia Italiana Economia Italiana - Economie del resto del mondo- Economie del resto del mondo

SistemaSistema AmbienteAmbiente

La divisione è abbastanza arbitraria.La divisione è abbastanza arbitraria.

Dipende dall’accuratezza desiderata del modello.Dipende dall’accuratezza desiderata del modello.


Sistemi in ChimicaSistemi in Chimica Vari tipi di sistemi utilizzati in Chimica:Vari tipi di sistemi utilizzati in Chimica:

IsolatoIsolato ChiusoChiuso ApertoAperto


Sistemi in ChimicaSistemi in Chimica

In un sistema adiabatico non vi e’ scambio di caloreIn un sistema adiabatico non vi e’ scambio di calore


Astrazione e ModelliAstrazione e Modelli Il sole è, in prima approssimazione, un recipiente Il sole è, in prima approssimazione, un recipiente

pienopieno di un di un Gas IdealeGas Ideale..

Un cavallo da corsa è, in prima approssimazione, una Un cavallo da corsa è, in prima approssimazione, una

sfera.sfera.

Un bicchiere d’acqua (liquida) Un bicchiere d’acqua (liquida) NONNON è, neanche in è, neanche in

prima approssimazione, assimilabile ad un gas.prima approssimazione, assimilabile ad un gas.

Si devono trascurare i dettagli insignificanti, Si devono trascurare i dettagli insignificanti,

o trascurabili... ma solo quelli.o trascurabili... ma solo quelli.

Un modello Un modello È NECESSARIOÈ NECESSARIO!!!!!!


Astrazione e ModelliAstrazione e Modelli I modelli possono essere miglioratiI modelli possono essere migliorati

Gas Solare Gas Solare Gas + Fotoni + Elettroni Gas + Fotoni + Elettroni

L’astrazione e la costruzione del modello permette L’astrazione e la costruzione del modello permette

alla alla matematicamatematica di agire (in modo quasi meccanico e di agire (in modo quasi meccanico e

automatico ... se si sa come fare) per trarre le logiche automatico ... se si sa come fare) per trarre le logiche

conseguenze dalle conseguenze dalle ipotesi di partenzaipotesi di partenza. In questo . In questo

modo modo trascuriamo i dettagli insignificantitrascuriamo i dettagli insignificanti, (il colore , (il colore

del cavallo), o trascurabili, (la coda del cavallo).del cavallo), o trascurabili, (la coda del cavallo).


Modelli Macroscopici e Modelli Macroscopici e MicroscopiciMicroscopici

Descriviamo il contenuto di un Descriviamo il contenuto di un

cilindro di Automobilecilindro di Automobile ComposizioneComposizione VolumeVolume PressionePressione Densita’Densita’ TemperaturaTemperatura ColoreColore Conducibilita’ termicaConducibilita’ termica ????????????


Modelli MacroscopiciModelli Macroscopici Per altri sistemi le grandezze più utili possono essere Per altri sistemi le grandezze più utili possono essere

altre:altre: PilaPila: il volume è poco utile, mentre è fondamentale il : il volume è poco utile, mentre è fondamentale il

potenziale elettricopotenziale elettrico StellaStella: sono fondamentali : sono fondamentali colorecolore e e luminosita’luminosita’

Queste grandezze sono esprimibili in forma Queste grandezze sono esprimibili in forma numericanumerica, e possono quindi essere considerate , e possono quindi essere considerate delle delle coordinatecoordinate

Queste grandezze sono esprimibili in forma Queste grandezze sono esprimibili in forma numericanumerica, e possono quindi essere considerate , e possono quindi essere considerate delle delle coordinatecoordinate

Le coordinate descrivono lo stato Le coordinate descrivono lo stato internointerno del sistema del sistema


Grandezze MacroscopicheGrandezze Macroscopiche

Non implicano ipotesi particolari sulla struttura della Non implicano ipotesi particolari sulla struttura della

materia (non richiedono atomi e molecole!).materia (non richiedono atomi e molecole!).

Servono “poche” grandezze per descrivere il sistema Servono “poche” grandezze per descrivere il sistema

(quante ?).(quante ?).

Le coordinate macroscopiche sono Le coordinate macroscopiche sono (più o meno)(più o meno), ,

suggerite dai nostri sensi.suggerite dai nostri sensi.

Possono essere misurate direttamente.Possono essere misurate direttamente.


Modelli MicroscopiciModelli Microscopici Il sistema è composto da un numero enorme di Il sistema è composto da un numero enorme di

particelle che possono interagire fra loroparticelle che possono interagire fra loro

Il numero elevato di particelle permette di utilizzare Il numero elevato di particelle permette di utilizzare

tecniche statistiche e di ottenere valori medi tecniche statistiche e di ottenere valori medi

((termodinamica statisticatermodinamica statistica))

Concetti quali “pressione” e “temperatura” sono Concetti quali “pressione” e “temperatura” sono

PRIVI DI SENSOPRIVI DI SENSO a livello atomico. La termodinamica a livello atomico. La termodinamica

statistica statistica definiscedefinisce le varie grandezze macroscopiche a le varie grandezze macroscopiche a

partire da quelle microscopiche (coordinate, velocita’, partire da quelle microscopiche (coordinate, velocita’,

stati quantici)stati quantici)


Grandezze MicroscopicheGrandezze Microscopiche Si Si DEVEDEVE ipotizzare l’esistenza degli atomi e molecole ipotizzare l’esistenza degli atomi e molecole

Le cordinate in gioco sono tantissime (Le cordinate in gioco sono tantissime (NN))

Le varie grandezze Le varie grandezze NONNON sono accessibili sono accessibili

nell’esperienza quotidiananell’esperienza quotidiana

Le grandezze microscopiche Le grandezze microscopiche NONNON si possono misurare si possono misurare

direttamentedirettamente


Microscopico - MacroscopicoMicroscopico - Macroscopico

1 mole = 6.023 101 mole = 6.023 102323 particelle particelle

602,300,000,000,000,000,000,000602,300,000,000,000,000,000,000

Per descrivere completamente 1 litro di acqua, dovrei Per descrivere completamente 1 litro di acqua, dovrei

specificare le coordinate e le velocita’ di ogni specificare le coordinate e le velocita’ di ogni

molecola (6 coordinate per particella)molecola (6 coordinate per particella)

Tuttavia, 1 litro di acqua Tuttavia, 1 litro di acqua all’equilibrioall’equilibrio, puo’ essere , puo’ essere

descritta semplicemente specificando la descritta semplicemente specificando la pressionepressione, la , la

temperaturatemperatura..


Termodinamica Classica e Termodinamica Classica e StatisticaStatistica

Meccanica QuantisticaMeccanica Quantistica

Meccanica StatisticaMeccanica Statistica

Termodinamica ClassicaTermodinamica Classica

La Meccanica Quantisticapermette di calcolare I livellienergetici di Atomi e Molecole

Calcola proprieta’ specifichedelle varie sostanze

Relazioni Generali tra variabilitermodinamiche macroscopiche

1 Kg1 Kg


Termodinamica Classica e Termodinamica Classica e StatisticaStatistica

TermodinamicaTermodinamica StatisticaStatistica: approccio : approccio MicroscopicoMicroscopico

Ha bisogno dei livelli energetici del sistemaHa bisogno dei livelli energetici del sistema

TermodinamicaTermodinamica ClassicaClassica: approccio : approccio MacroscopicoMacroscopico

Ha bisogno dei dati Ha bisogno dei dati calcolaticalcolati dalla Termodinamica dalla Termodinamica

Statistica, o di dati Statistica, o di dati sperimentalisperimentali


1-16 Grandezze Intensive ed Grandezze Intensive ed EstensiveEstensive

Proprieta’ che dipendono dalla quantita’ di materia Proprieta’ che dipendono dalla quantita’ di materia

sono chiamate sono chiamate EstensiveEstensive

Proprieta’ indipendenti dalla quantita’ di materia sono Proprieta’ indipendenti dalla quantita’ di materia sono

chiamate chiamate IntensiveIntensive

mmVVTTppEEρρ

mm/2/2VV/2/2TTpp

E/2E/2ρρ

mm/2/2VV/2/2TTpp

E/2E/2ρρ

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