Chimica generale/Variabili termodinamiche

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Calore e temperatura[modifica]

Gli atomi e le molecole che costituiscono i corpi non sono fermi, ma in continuo movimento vibratorio, detto agitazione termica perché la velocità di vibrazione aumenta con la t° del corpo. Pertanto la temperatura può esser considerata indirettamente una misura della velocità di movimento della molecole. La t° si misura in gradi °C. La temperatura più bassa è detta zero assoluto. Il S.I. usa la scala K, o scala di t° assoluta, i cui valori sono quelli della scala Celsius aumentati di 273 °C per avere sempre valori positivi.

Lo strumento per misurare la t° è il termometro. Quando due corpi a diversa t° vengono a contatto tra loro, quello più caldo cede calore al quello più freddo e il passaggio di energia termica continua fino al livellamento delle t° dei due corpi, cioè fino al raggiungimento dell’equilibrio termico. Il calore, essendo energia, si misura in joule e lo strumento per misurarlo è il calorimetro.

Come si trasmette il calore[modifica]

Nei solidi e in parte nei liquidi il calore si trasmette per conduzione, cioè da una molecola a quella vicina. Se il passaggio è rapido la sostanza è un buon conduttore di calore e ha perciò un’alta conduttività termica ed è poco isolante. La quantità di calore Q che attraversa un corpo ogni secondo è direttamente proporzionale alla differenza di t° tra i due corpi (gradiente termico), alla sezione S da attraversare e inversamente proporzionale allo spessore s; dipende inoltre dal materiale: .

Nei fluidi prevale il passaggio per convezione, cioè per il movimento delle parti più calde che dilatandosi diventano più leggere e tendono a salire prendendo il posto di quelle più fredde. È dovuta ai moti convettivi la formazione dei venti.

Nel vuoto e nei gas il calore si trasmette anche per irraggiamento, cioè emissioni di raggi infrarossi da parte di superfici calde. La radiazione raggiunge anche i corpi più freddi anche se questi non sono a contatto con la fonte di calore. Il calore irradiato ogni secondo è direttamente proporzionale all’area della superficie calda e alla quarta potenza della sua T: .

Passaggi di stato[modifica]

Quando si riscalda un corpo questo assorbe energia, la sua agitazione termica cresce e la sua t° aumenta. Le molecole si allontanano le une dalla altre e il corpo si dilata. Avviene la così detta dilatazione del corpo. L’aumento di volume dipende dal tipo di sostanza, dal volume iniziale V1 e dalla ∆t°. Riscaldando ancora il corpo le molecole si allontanano a tal punto che avviene un cambiamento di stato: fusione se il corpo allo stato solido diventa liquido; vaporizzazione se il corpo liquido diventa gassoso. Raffreddando li corpo avvengono i passaggi inversi: solidificazione se il corpo liquido diventa solido; condensazione se il vapore ritorna allo stato liquido. I passaggi di stato avvengono a una precisa t° caratteristica delle sostanza e detta t° di fusione e t° di ebollizione. In alcuni casi si ha anche il passaggio diretto da solido al gassoso e viceversa (sublimazione e brinazione). Se invece un gas viene compresso e passa allo stato liquido abbiamo la liquefazione. Un altro passaggio di stato che interessa però solo la superficie dei liquidi è l’evaporazione. Questo passaggio avviene a t° ambiente (1 atm) e avviene per tutti i liquidi; è lenta e dipende da condizioni ambientali, dall’estensione della superficie di evaporazione e dalla tensione superficiale. Quando il liquido è in equilibrio con il vapore sovrastane si dice che il vapore è saturo.

Solitamente un aumento di pressione tende a far avvicinare le molecole e pertanto favorisce i passaggi di stato che avvengono con diminuzione di volume (solidificazione, condensazione) mentre rallenta altri passaggi che richiedono un aumento di volume (vaporizzazione, fusione). Durante la fase di dilatazione riscaldando il corpo la sua t° aumenta. Tale aumento dipende dalla quantità di calore fornita Q, dal tipo di sostanza e dalla massa del corpo: Q = mc ∆t°. La costante di proporzionalità c corrisponde alla quantità di calore necessaria per aumentare di 1 °C la temperatura di un kg di quella sostanza e viene chiamata calore specifico.

Invece il prodotto mc, denominato capacità termica, corrisponde alla quantità di calore necessaria per innalzare di 1 °C la temperatura di quel corpo. Affinché si verifichi la fusione o la vaporizzazione di una sostanza è necessario, oltre che raggiungere la t°fusione e la t°vap, fornire l’energia occorrente per far si che avvenga il passaggio di stato. Tale energia è detta calore di fusione e calore di vaporizzazione ().

Funzioni di stato termodinamiche: Entalpia, Entropia ed energia di Gibbs[modifica]