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 trova in uno stato definito.
Ci interessa dal punto di vista operativo, cioè per quel che riguarda lo studio dell'equilibrio e delle trasformazioni termodinamiche [ideali] del sistema stesso.

L'universo o ambiente è l'esterno di un sistema termodinamico, è tutto ciò che non fa parte del sistema ma che può agire col sistema influenzandone le proprietà.
Per esempio un gas in un cilindro con pistone:

• il gas e il pistone sono l'interno
• il cilindro è l'esterno

Altri esempi sono la pila Daniell, un pezzo di sostanza ferromagnetica, una gomma per cancellare.

I sistemi termodinamici possono essere aperti, chiusi o isolati

• aperti quando si hanno scambi sia di materia che di energia
• chiusi quando non si hanno scambi di materia ma soltanto di energia
• isolati quando non si hanno scambi nè di materia ne di energia con l'ambiente

Per esempio prendiamo il cilindro contenente il gas chiuso da un pistone è un sistema termodinamico chiuso. Invece una pentola di acqua che bolle, liberando il vapore all'esterno è un sistema aperto. Mentre un termos 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 a mente 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

1. macroscopica di un sistema
   1. non si fanno ipotesi sulla struttura del sistema
   2. le grandezze necessarie per descriverlo sono in piccolo numero: pressione, volume, temperatura
   3. sono percepibili dai nostri sensi
2. microscopica di un sistema (descrizione più complicata affrontata dalla termodinamica statistica)
   1. occorre fare ipotesi sulla struttura del sistema
   2. le grandezze sono in numero grandissimo
   3. sfuggono la percezionde dei nostri sensi
   4. sono difficilmente misurabili

Per esempio per fare una descrizione macroscopica di un gas nel cilindro basta tenere conto della pressione, temperatura e volume; mentre per farne una descrizione microscopica 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
• trasformazioni non reversibili o reali

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 espressa in relazione all'unità. Ad esempio, il peso è una variabile estensiva (perché proporzionale alla massa), ma se viene diviso per essa genera una grandezza intensiva chiamata densità. La densità di un liquido, ad esempio, resta costante anche se quantità diverse di esso vengono mescolate.

Unità di misura in Chimica-fisica

Per approfondire su Wikipedia, vedi la voce SI.

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

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