Termodinamica classica

Energia

Stato di un sistema, funzioni di stato

Tre principi

Definizioni di sistema ed ambiente.Sistema: la parte di universo oggetto di studio.

Ambiente: l’insieme dei sistemi con cui il sistema in studio interagisce scambiando energia.Sistema isolato= non scambia energia.

Universo: l’insieme di tutti i sistemi.

Primo principio: l’energia si conserva, ma può essere variata nella forma. Formulazione matematica U= Q-L.

U= energia internaQ= calore assorbitoL= lavoro fatto

U è l’energia interna di un sistema che può variare per scambi di energia. Calore e lavoro sono mezzi con cui l’energia è scambiata, il lavoro è energia trasferita per mezzo di un collegamento meccanico, mentre il calore è energia trasferita a causa di una differenza di temperatura, ovvero di energia cinetica. L’energia interna di un sistema è una funzione di stato, ovvero è una proprietà intrinseca del sistema, mentre i mezzi con cui è scambiata l’energia variano secondo il percorso seguito dalla trasformazione.Un sistema immagazzina energia se assorbe calore e/o se subisce un lavoro, cede energia se compie un lavoro e/o se cede calore.

REAZIONE CHIMICA – SISTEMA IN TRASFORMAZIONE

ENTALPIA – FUNZIONE DI STATO

PV) = LAVORO DI ESPANSIONE

PV A PRESSIONE COSTANTE

Il processo di transizione di fase quindi ci dice che il calore necessario al passaggio di fase è:

Q = m

il calore Q fornito o sottratto al sistema non influisce sulla temperatura, ma è proporzionale alla quantità di sostanza m che ha cambiato fase, e continua fino a che tutta la sostanza non cambia fase. In assenza di transizioni di fase invece, un apporto o un prelievo di calore determina una variazione di temperatura.

L'unità di misura del calore latente λ nel Sistema internazionale è J/kg. Spesso il calore latente viene espresso per mole di sostanza come calore latente molare e nel SI si misura in J/mol= COINCIDE CON IL H DELLA TRANSIZIONE DI FASE A PRESSIONE COSTANTE

La grandezza c è nota come calore specifico : è definita come la quantità di calore necessaria ad innalzare di un grado centigrado la temperatura di un grammo di una sostanza.

Calore latente e temperatura al cambio di stato di sostanze comunialla pressione atmosferica

SostanzaCalore latente

di fusione[kJ/kg]

Temperaturadi fusione

[°C]

Calore latentedi ebollizione

[kJ/kg]

Temperaturadi ebollizione

[°C]

Etanolo 108 -114 855 78,3

Ammoniaca 339 -75 1369 -33

Biossido di carbonio 184 -57 574 -78

Elio 1.25 -269,7 21 -268,93

Idrogeno 58 -259 455 -253

Azoto 25,7 -210 200 -196

Ossigeno 13,9 -219 213 -183

Mercurio 11 -39 294 357

Zolfo 54 115 1406 445

Acqua 335 0 2272 100

TEOREMA DEL VIRIALE per particelle cariche in movimento.

I nuclei non subiscono modifiche, quindi non contribuiscono a variazioni di energia, gli elettroni invece subiscono modifiche nel

cambio dei legami

La variazione di energia degli elettroni nel cambio di legami è rappresentata dalla variazione della loro Epot, a causa del

teorema del viriale

Il H misura la variazione di energia degli elettroni nel cambio di legami = differenza delle

energie di legame prodotti-reagenti

Nelle reazioni chimiche c’è sempre una modifica di legami.

H > 0 ENDOTERMICA

H < 0 ESOTERMICA

Reazione ENDOTERMICA Reazione ESOTERMICA

VARIAZIONE DI ENTALPIA DI FACILE MISURA in quanto coincidente con uno scambio di calore (apparecchio da usare = calorimetro)

in termini atomici è la misura della differenza tra le energie dei legami rotti e le energie di quelli formati

Conoscendo le seguenti energie di legame: CO 358 KJ/mol, HI 299 KJ/mol, CI 240 KJ/mol e OH 463 KJ/mol, calcolare il calore sviluppato o consumato dalla seguente reazione:

H H

HCOH(g) + HI(g) HCI(g) + HOH(g)

H H

Si scindono: 1 legame CO e 1 legame HI

Si formano: 1 legame CI e 1 legame HO

H=(358+299) (240+463) = 46 kJ (reazione esotermica)

Sapendo che l’energia del legame HH è di 436 KJ/mol, e che la reazione è la seguente:

H2(g) + calore 2 H(g)

calcolare il calore necessario rispettivamente per rompere i legami di una mole di H2 e di 6 g di H2.

Si scinde 1 legame HH quindi il calore necessario è 436 kJ per mole

n H2 = 3 mol 3x436 = 1308 kJ

Sapendo che le energie dei legami CH e HH sono rispettivamente 413 KJ/mol e 436 KJ/mol, calcolare il H della seguente reazione:

CH4(g) C(g) + 2 H2(g)

H= 4x413 2x436 = 780 kJ (reazione endotermica)

Sapendo che le energie dei legami II, HH ed HI sono rispettivamente 151 KJ/mol, 436 KJ/mol e 299 KJ/mol, calcolare il H della seguente reazione:

I2(s) + H2(g) 2 HI(g)

H = (151 + 436) 2x299 = 11 kJ (reazione esotermica)

Quanta H2O e quanta CO2 si producono durante la combustione di 1 mole di propano, C3H8?

C3H8(g) + O2(g) CO2(g) + H2O(l)

Sapendo inoltre che la combustione di una mole di propano sviluppa 2.140 .103 KJ/mol, determinare il calore svolto da un kg di C3H8.

C3H8(g) + 5 O2(g) 3 CO2(g) + 4 H2O(l)

Da una mole di propano si ottengono 4 moli di acqua e 3 moli di anidride carbonica

n C3H8 = (1000 g) / (44 g mol-1) = 22.7 moli

1 : (2.140 x 103) = 22.7 : X X = 48578 KJ

Il primo principio è alla base della possibilità di scrivere una reazione come somma di più reazioni che globalmente

scambiano la stessa energia.

Massa ed energia si conservano

Definizione di reazione di formazione

Tabelle di H°f = H di formazione (f) in condizioni (stato) standard (°)

(1) C (s) + 1/2 O2 (g) = CO (g) ΔH1 = ?

Applicando la legge di Hess è possibile valutarne la relativa entalpia; infatti

(2) C (s) + O2 (g) = CO2 (g) ΔH2 = -393,51 kJ

(3) CO (g) + 1/2 O2 (g) = CO2 (g) ΔH3 = -282,98 kJ

Sommando la (2) con la (3) rovesciata si ottiene la reazione (1)

ΔH1 = ΔH2 + (-ΔH3) = -393,51 + 282,98 = -110,53 kJ

H ?

più

dà

H = (-393.5 kJ) + (283.0 kJ) = -110.5 kJ

C(graphite) + O2(g) -> CO2(g) H = -393.5 kJ

C(diamond) + O2(g) -> CO2(g) H = -395.4 kJ

H da grafite a diamante ?

C(graphite) -> C(diamond)

C(graphite) + O2(g) -> CO2(g) H = -393.5 kJ

CO2(g) -> C(diamond) + O2(g) H = +395.4 kJ

C(graphite) -> C(diamond) H = +1.9 kJ