Chimica fisica/Termodinamica/Concetti

Sistemi termodinamici

Per sistema termodinamico si intende ogni porzione di spazio contenente quantità definite di una o più sostanze che si trovano in uno o più stati definiti.
Ci interessa dal punto di vista operativo, cioè per quel che riguarda lo studio dell'equilibrio e delle trasformazioni termodinamiche (ideali) del sistema stesso. Nei casi più semplici i risultati calcolati per la trasformazione ideale possono essere applicati tal quali alle trasformazioni reali. Si possono comunque calcolare anche trasformazioni che non avvengono in condizioni ideali in certi casi l'approccio è semplice, in altripiù complesso perché le equazioni di stato sono più complesse.

L'ambiente esterno di un sistema termodinamico, è tutto ciò che non fa parte del sistema ma che può agire col sistema influenzandone le proprietà. Viene anche chiamato esterno o semplicemente ambiente.

La somma del sistema e dell'ambiente costituisce l'universo termodinamico che, se è ben definito, può anche essere assimilato all'intero Universo.

Esempi di sistemi termodinamici

Per esempio un gas ideale in un cilindro con un pistone senza attrito costituisce un sistema particolarmente semplice (e molto usato per questo):

• il gas è il sistema
• il cilindro e il pistone sono l'ambiente

Altri esempi sono la pila Daniell, un pezzo di sostanza ferromagnetica, una gomma per cancellare, una reazione chimica nella provetta o in un impianto chimico.

Una caratteristica importante dell'universo termodinamico è che le leggi definite in un universo semplice valgono anche per l'intero Universo. è importante che l'universo termodinamico comprenda tutte le azioni che in qualche modo influenzano ilsistema e/o l'ambiente: questa condizione è fondamentale.

CLASSIFICAZIONE DEI SISTEMI I sistemi termodinamici possono essere aperti, chiusi o isolati.

• aperti quando si hanno scambi sia di materia che di energia con l'ambiente.
• chiusi quando non si hanno scambi di materia ma soltanto di energiaSistema chiuso
• isolati quando non si hanno scambi né di materia né di energia con l'ambiente. In questo caso il sistema costituisce un Universo.

Per esempio: Se studiamo il cilindro contenente il gas chiuso da un pistone il sistema termodinamico è chiuso. Una pentola di acqua che bolle, liberando il vapore all'esterno è un sistema aperto. Un thermos chiuso contenente un liquido caldo rappresenta un sistema isolato.

Da ciò si intuisce che è impossibile avere un sistema isolato perfettamente, per quanto si posano trovare metodi e materiali per isolare termicamente un contenitore, il calore passerà ugualmente, quindi ogni volta che si parlerà di sistema isolato bisogna tenere presente che si tratta di una idealizzazione.

Descrizione microscopica e macroscopica di sistema termodinamico

Un sistema termodinamico si può vedere da un punto di vista macroscopico e microscopico.

• Caratteristiche di una descrizione macroscopica di un sistema semplice:

1. 1. non si fanno ipotesi sulla struttura del sistema
   2. le grandezze necessarie per descriverlo sono in piccolo numero: pressione, volume, temperatura, quantità del gas
   3. sono percepibili dai nostri sensi
   4. esiste l'equazione di stato del gas ideale, che è particolarmente semplice e versatile; inoltre altre equazioni di trasformazione permettono di calcolare facilmente le energie e la massa scambiati.

• Caratteristiche di una descrizione di un ecosistema: è una descrizione più complicata, affrontata a livello macroscopico; però normalmente le trasformazioni non sono ideali e l'approccio richiede una preparazione di base più ampia.

1. 1. occorre fare numerose ipotesi sulla struttura del sistema, che composto da diverse sostanzein diverse fasi;
   2. le grandezze sono in numero grande
   3. a volte le cause e gli effetti degli attriti sfuggono alla percezione
   4. sono composti da molti elementi che interagiscono, a volte in modo complesso
   5. a volte è necessaria la competenza matematica di trattare con numeri molto grandi

• Caratteristiche della descrizione molecolare di un sistema: è una descrizione più complicata, l'approccio richiede una preparazione di base più ampia, di solito richiede basi di termodinamica statistica.

1. 1. occorre fare numerose ipotesi sulla struttura del sistema, che composto da diverse sostanze in diverse fasi;
   2. le grandezze sono in numero grande
   3. a volte le cause e gli effetti degli attriti sfuggono alla percezione
   4. sono composti da molti elementi che interagisconoin modo indipendente
   5. a volte è necessaria la competenza matematica di trattare con numeri molto grandi o con concetti abbastanza astratti.

A volte questo livello viene chiamato "microscopico", però gli atomi le molecole non sono visibili al microscopio; inoltre, al livello molecolare è quasi sempre importante il principio di indeterminazione di Heisenberg.

• IL SISTEMA SEMPLICE

Per descrivere macroscopicamente un gas ideale nel cilindro basta tenere conto di pressione, temperatura, quantità del gas e volume.

• IL SISTEMA MOLECOLARE

Per descrivere un sistema molecolare occorre considerare le molecole e gli atomi e descrivere matematicamente tutte le posizioni che esse assumono man mano che cambiano la pressione, il volume e la temperatura, tenendo conto del principio di indeterminazione, che rende statistico il comportamento del sistema e dei suoi componenti elementari.

Descrizione microscopica e macroscopica di una trasformazione termodinamica

Una trasformazione termodinamica è il passaggio tra sistema termodinamico iniziale ed un sistema termodinamico finale, diverso da quello iniziale. Anche questo può essere descritto da un punto di vista macroscopico e microscopico, ed evidenziando le caratteristiche della trasformazione. Ce ne sono due tipi diversi:

• trasformazioni reversibili o ideali, senza attriti di nessun tipo;
• trasformazioni non reversibili o reali

Coordinate meccaniche e coordinate termodinamiche

Le proprietà macroscopiche si dividono in

1. esterne grandezze della meccanica
2. interne sono quelle grandezze che riguardano l'interno del sistema influenzano cioè lo stato interno, temperatura, pressione e volume

Variabili estensive e variabili intensive

Queste variabili temperatura, pressione e volume si dividono in

1. estensive: risultano determinabili solo con riferimento a tutto il sistema cioè con misure su tutta la quantità di sostanza o sulla estensione che si considera e risultano a queste proporzionali. Per esempio prendiamo un gas con una data massa, volume e lo mescoliamo con una uguale quantità dello stesso gas. Il volume aumenta, raddoppia, e raddoppierà anche la sua massa. Altro esempio: volume e forza.
2. intensive: sono quelle che si misurano punto per punto e possono essere distribuite punto per punto oppure no. Sono indipendenti dalla quantità di sostanza o dall'estensione del sistema. Per esempio temperatura, pressione e densità.

Ogni variabile estensiva può essere resa intensiva, se divisa per un'altra grandezza estensiva. Ad esempio il peso è una variabile estensiva perché proporzionale alla massa, ma se viene diviso per essa genera una grandezza intensiva chiamata accelerazione di gravità.

Ad esempio, se si divide la massa per il volume si ottiene la densità. La densità di un liquido, ad esempio, resta costante anche se quantità diverse di esso vengono mescolate.

Differenza fra massa e peso

• la massa è una grandezza scalare che misura la quantità di materia che costituisce il corpo. La massa è sempre costante, ovunque si collochi il corpo
• il peso è una grandezza vettoriale che esprime la forza con cui un corpo è attratto dalla Terra. Il peso del corpo non è costante ma varia da punto a punto.
• Peso e massa sono direttamente proporzionali.

Unità di misura in Chimica-fisica

Sono le stesse unità di misura usate dal sistema internazionale

Per approfondire su Wikipedia, vedi la voce SI.

Sistemi di unità di misura: M.K.S., c.g.s., pratico

Per descrivere i fenomeni della chimica-fisica si usavano le unità di misura del sistema M.K.S. (metro, chilogrammo massa, secondo), c.g.s. (centimetro, grammo, secondo) e pratico (metro, chilogrammo peso, secondo), MKSA (metro, chilogrammo massa, secondo, ampere).

Attualmente si usa il sistema SI (CGPM, 1963; CEE, 1972; Italia, 1982, USA 2001) Attualmente è il sistema ufficiale in tutto il mondo (escluso Bhurma, dove è in atto una guerra civile); negli USA affianca il vecchio sistema inglese però tutti i contratti governativi usano l'SI.

=== Le sette grandezze fondamentali dell'SI: lunghezza, massa, tempo, temperatura termodinamica, intensità della corrente, intensità luminosa, quantità delle sostanze === Due grandezze supplementari dell'SI: angolo piano, angolo solido

• 1 Lunghezza

Unità di lunghezza nel sistema SI è il metro, simbolo m

• 2 Massa

Unità di massa nel sistema SI il Chilogrammo, simbolo kg

• 3 Tempo

Unità di lunghezza nel sistema SI è il secondo, simbolo s

• 4 temperatura

Unità di lunghezza nel sistema SI è il kelvin, simbolo K

• 5 intensità della corrente

Unità dell'intensità della corrente nel sistema SI è l' ampere, simbolo A

• 6 intensità luminosa

Unità dell'intensità luminosa nel sistema SI è la candela, simbolo cd

• 7 quantità della sostanza,

Unità di quantità della sostanza B nel sistema SI è la mole di B mole(B), simbolo mol(B)

UNità supplementari (si indicano solo quando è necessario per la chiarezza)

• A angolo piano

Unità di angolo nel sistema SI è il radiante, simbolo (rad)

• B angolo solido

Unità di angolo solido nel sistema SI è lo steradiante, simbolo (sterad)

Unità derivate della meccanica: velocità, peso, superficie, forza, lavoro, potenza, accelerazione, volume, peso specifico, densità

• 1 velocità

Unità di velocità nel sistema SI, è il metro al secondo, simbolo ${\frac {m}{s}}$

• 2 peso
• 3 superficie

Unità di superficie nel sistema SI, è il metroquadro, simbolo $m^{2}$

• 4 forza

Unità di forza nel sistema SI, è il newton, simbolo N.

• 5 lavoro

Unità di lavoro nel sistema SI, è il joule, simbolo J.

• 6 potenza

Unità di potenza, nel sistema SI, è il watt, simbolo W.

• 7 accelerazione

Unità di accelerazione nel sistema SI, è il metro al secondo quadrato, simbolo ${m}/{s^{2}}$.

• 8 Peso specifico

Unità di peso specifico nel sistema SI, è il newton al metro cubo, simbolo ${N}/{m^{3}}$.

• 9 densità

Unità di densità (o massa volumica)nel sistema SI, è il chilogrammo al metro cubo, simbolo ${kg}/{m^{3}}$.

• 11 concentrazione massica

La concentrazione massica nel sistema SI, è il rapporto tra la massa del soluto e il volume della soluzione Unità di concentrazione massica nel sistema SI, è il kg al metro cubo, simbolo ${kg}/{m^{3}}$.

• 12 concentrazione

La concentrazione (entitica) nel sistema SI, è il rapporto tra la quantità di un soluto e il volume della soluzione Unità di concentrazione nel sistema SI, è la mole di sostanza al metro cubo, simbolo ${mol}/{m^{3}}$. Unità di concentrazione nel sistema SI, è la molarità = 1 mole di sostanza al litro, simbolo ${mol}/{L}$.

Relazione fra peso specifico e densità

• Il peso specifico, gamma, simbolo $\gamma$, è il rapporto peso/volume.
• La densità, ro, simbolo ro, è il rapporto massa/volume.

La relazione fra peso specifico e densità è data da

• P = m ^. g
• P/V=m/V ^. g
• $\gamma$=ro ^. g

Relazione fra unità di misura della pressione

• 1 atm = 760/1000 mHg ^. 13,596 Kg/m³ = 10,333 Kg/m² = 1,033 Kg/cm² = 101325 Pa = 101,325 KPa = 0,101 MPa
• 1 tor=1 mmHg a 0°C = 13,596 Kg/m² dato che $\gamma$ Hg = 13^.596 Kg/m³
• 1 mm H₂O a 4°C = 1 Kg/m²=10^-4 Kg/cm²

Relazione fra peso specifico e pressione

La relazione fra peso specifico e pressione, legge di Stevin, è data da

• p=F/S = m ^.g/S = ro ^. V ^. g / S = ro ^. h ^. S ^. g / S = ro ^. h ^. g

• p=ro ^. h ^. g = $\gamma$ ^. h

Scale termometriche

1. scala centigrada o Celsius, simbolo °C, (scala centesimale)
   1. 0 °C temperatura del ghiaccio fondente
   2. 100 °C temperatura vapor d'acqua bollente
2. scala Reamur, simbolo °R (scala ottantagesimale)
   1. 0 °R temperatura del ghiaccio fondente
   2. 80 °R temperatura vapor d'acqua bollente
3. scala Fahrenheit, simbolo °F (scala centottantagesimale)
   1. 32 °F temperatura del ghiaccio fondente
   2. 212 °F temperatura vapor d'acqua bollente
4. scala assoluta o Kelvin, simbolo K, (scala centesimale)
   1. 273,16 K temperatura del ghiaccio fondente
   2. 373,16 K temperatura vapor d'acqua bollente

Fattori di ragguaglio fra le varie scale termometriche

• rapporto fra scala centigrada e Reamur R:C=80:100
• rapporto fra scala centigrada e scala Fahreneit 100:180=C:(F-32)
• rapporto fra scala Reamur e scala Fahreneit 80:180=R:(F-32)
• rapporto fra scala centigrada e Kelvin K=C+273,16