La termodinamica

Cos'è la termodinamica

La termodinamica studia gli scambi di energia tra un sistema chimico o fisico e l'ambiente esterno sotto forma di calore.

La termodinamica si occupa essenzialmente di energia, anche se il suo nome richiama alla mente i movimenti di calore perché la forma di energia più comune nelle reazioni chimiche è il calore.

A cosa serve?

Descrive la dinamica dei fenomeni fisici e chimici dal punto di vista macroscopico, senza considerare gli aspetti microscopici della materia e il tempo.

Nota. Nella termodinamica si considerano proprietà macroscopiche come la temperatura, il volume, la pressione e la composizione chimica, senza considerare la costituzione degli atomi o delle molecole. In chimica la termodinamica aiuta a capire se una trasformazione chimica è spontanea o meno, se una reazione chimica può avvenire, se comporta sviluppo o assorbimento di energia, se raggiunge uno stato di equilibrio e quali sono le condizioni di equilibrio.

I principi della termodinamica

Dall'osservazione sperimentale sono stati elaborati quattro principi della termodinamica.

• Principio zero della termodinamica
  Dati tre corpi A,B,C se A è in equilibrio termico con B e B è in equilibrio termico con C, allora i corpo A e C sono in equilibrio termico tra loro.
• Primo principio della termodinamica
  L'energia può essere convertita da una forma all'altra, ma non può essere distrutta o creata.
• Secondo principio della termodinamica
  Il calore fluisce spontaneamente dal corpo caldo al corpo freddo. Più in generale ogni sistema tende alla massima entropia (minima energia disponibile e massimo disordine).
  

  Nota. Pertanto, è impossibile far fluire spontaneamente il calore dal corpo freddo al corpo caldo.

• Terzo principio della termodinamica
  Alla temperatura di T=0 K (zero assoluto) il valore dell'entropia di un cristallo puro è zero.

Le grandezze della termodinamica

I principi della termodinamica si basano principalmente su due grandezze fisiche:

• Entalpia
  L'entalpia (H) è la quantità di energia che un sistema termodinamico può scambiare con l'ambiente esterno.
• Entropia
  L'entropia misura il grado di disordine del sistema.

Il sistema termodinamico

Il sistema termodinamico è un sistema che scambia energia (calore e lavoro) e materia con l'ambiente.

Come qualsiasi sistema anche il sistema termodinamico è una parte dell'universo mentre l'ambiente è tutto ciò che circonda il sistema.

A seconda dell'indagine il sistema termodinamico può essere una soluzione chimica, una macchina o altro.

Esempio. In chimica un sistema è una soluzione mentre il recipiente e tutto il resto sono l'ambiente.

Esistono diversi tipi di sistemi

• sistema chiuso
  se può scambiare solo l'energia con l'ambiente
• sistema aperto
  se può scambiare energia e materia con l'ambiente
• isolato
  se non scambia né energia, né materia con l'ambiente

Esempio. Un esempio di sistema isolato è una soluzione acquosa in una bottiglia chiusa con un tappo in condizioni di isolamento termico. Senza l'isolamento termico è un sistema chiuso. Senza il tappo è un sistema aperto.

Il sistema termodinamico è caratterizzato da un insieme di grandezze (es. energia interna, massa, ecc. )

Lo stato del sistema è il valore assunto dalle grandezze del sistema termodinamico.

Se una grandezza del sistema varia nel tempo è detta variabile di stato (o funzione di stato).

Nota. E' detta "di stato" perché il valore della variabile è strettamente legato allo stato del sistema. Se cambia il valore di una variabile di stato cambia anche lo stato del sistema. E viceversa. La variabile di stato non dipende dalla storia del sistema, né dal percorso dinamico che l'ha determinata.

L'eventuale variazione delle variabili di stato modifica anche lo stato del sistema.

Quando lo stato del sistema cambia si parla di trasformazione di stato.

Le funzioni di stato sono suddivise in:

• Grandezze estensive
  Le grandezze estensive dipendono dalla quantità e sono additive (es. volume, massa, calore, ecc.).
• Grandezze intensive
  Le grandezze intensive sono indipendenti dalla massa del corpo e non sono additive (es. temperatura, pressione, ecc.)

Il sistema raggiunge lo stato di equilibrio quando le variabili di stato sono costanti nel tempo.

L'energia interna

L'energia interna (o totale) del sistema è la somma dell'energia cinetica e potenziale presente nel sistema.

L'energia è la capacità di un corpo di compiere un lavoro o fornire calore.

Esistono diverse forme di energia: l'energia cinetica, potenziale, di legame, ecc.

L'energia cinetica è associata al movimento mentre l'energia potenziale alla posizione.

Esempio. In un sistema chimico l'energia interna del sistema è la somma delle energie cinetiche e potenziali delle particelle. L'energia cinetica delle molecole è dovuta ai moti di traslazione, rotazione e vibrazione. In genere corrisponde al calore (energia termica). L'energia potenziale delle molecole è l'energia di legame che tiene uniti gli atomi in un legame chimico (es. legame covalente, legame ionico, ecc.) oppure le molecole (es. legame a idrogeno, forze di van der Waals).

In un sistema termodinamico l'energia interna è una funzione di stato, perché dipende soltanto dallo stato iniziale e finale del sistema.

Non dipende dalla dinamica in cui si trasforma l'energia durante il passaggio da uno stato all'altro.

Esempio. Il prodotto di una reazione chimica tra due reagenti può avere un contenuto di energia maggiore o minore rispetto ai reagenti, a seconda se il processo assorbe (reazione endotermica) o rilascia energia all'esterno (reazione esotermica).

Non è possibile misurare il valore assoluto dell'energia interna di un sistema ma soltanto le sue variazioni.

Quando il sistema passa da uno stato a un altro, si registra una variazione di energia interna ΔE positiva o negativa a seconda se assorbe o rilascia energia.

• Se ΔE>0 il sistema assorbe energia
• Se ΔE<0 il sistema cede energia

Il lavoro e il calore

Il lavoro e il calore sono forme differenti dell'energia.

Il lavoro e il calore non sono proprietà materiali di un sistema ma semplicemente dei mezzi tramite i quali si trasmette l'energia.

Nota. Essendo delle energie di transito, il calore e il lavoro non sono funzioni di stato. Il calore e il lavoro dipendono dal modo in cui avviene la trasformazione. Non dipendono dallo stato.

• Il lavoro è una forma di energia. E' uguale al prodotto tra la forza per lo spostamento. Esistono diversi tipi di lavoro: meccanico, magnetico, elettrico, ecc.
• Il calore è una forma di energia. Si ottiene dalla trasformazione di altre forme di energia. E' l'energia scambiata in virtù di un dislivello termico tra il sistema e l'ambiente. Se un sistema produce calore, lo trasmette ai sistemi circostanti. L'unità di misura del calore è il joule (J).

  Nota. In passato il calore era misurato in calorie (cal). Una caloria è il calore necessario per aumentare la temperatura di un grammo di acqua da 14.5°C a 15.5°C. Per passare dalle calorie ai joule basta moltiplicare le calorie per 4,184 $$ 1 \: cal = 4,184 \: joule $$

C'è una relazione stretta tra lavoro e calore perché la variazione di temperatura di un corpo si può ottenere riscaldando il corpo oppure compiendo un lavoro.

Esempio. Posso riscaldare le mani avvicinandole al calore di un termosifone. Posso ottenere lo stesso risultato strofinando le mani tra loro (lavoro).

E così via.