Termometria e calorimetria

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Ladislao Patti
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1 Termometria e alorimetria Priniio zero della termodinamia: 2 ori, A e B, a temerature differenti (T A < T B ) osti a ontatto raggiungono l equilibrio termio. Se A e B sono in equilibrio termio on un terzo oro C allora sono in equilibrio termio tra loro. Termosoi e termometri: disositii er osserare, definire e misurare la temeratura mediante ariazioni di una data grandezza fisia funzione di T (T) nei liquidi LL(T) nei solidi PP(T) nei gas a ost. (T) nei gas a P ost Temeratura1 Temeratura2

Celsius (sala entigrada) Taratura on il metodo del unto

2 Taratura di un termometro: unto di fusione del ghiaio (0 C) e unto di ebollizione dell aqua (100 C) sala di temerature Celsius (sala entigrada) Taratura on il metodo del unto trilo Termometro a gas a olume ostante T T A nrt A ost. nr 0 + ρgh

3 sala termodinamia assoluta o sala Kelin T T C F T T F 9 5 T 9 5 C + 32 F T C ( 0 C,100 C) ( 32 F,212 F)

I gas ( ) ( ) t t α α + + 1 1 ost. 0 0 (T ost) Legge di Boyle (t C, ost.) I legge di Gay-Lussa (t C, ost.

4 I gas ( ) ( ) t t α α ost. 0 0 (T ost) Legge di Boyle (t C, ost.) I legge di Gay-Lussa (t C, ost.) II legge di Gay-Lussa mole k J R nrt / 8.3 Dilatazione termia di solidi e liquidi ( ) ( ) T T T T L T L L L T L L γ γ γ α α α γ 3α e l aqua?

5 Direzionalità del Trasferimento del Calore Il alore si trasferise dall oggetto iù aldo a quello iù freddo. ESOtermio: il alore si trasferise dal SISTEMA all AMBIENTE CIRCOSTANTE. T(sistema) diminuise T(ambiente)aumenta esemio

6 Direzionalità del Trasferimento del Calore Il Calore si trasferise semre dall oggetto iù aldo a quello iù freddo. ENDOtermio: il alore si trasferise dall AMBIENTE CIRCOSTANTE al SISTEMA. T(sistema)aumenta T (ambiente)diminuise(

7 Caaità termia C T ( ) C T f T i il alore è la quantità di energia sambiata er effetto della differenza di temeratura. Unità di misura: Calorie o Joule aloria: la quantità di alore neessaria er innalzare la temeratura di 1 g di H 2 O da 14.5 a 15.5 C alore seifio: aaità termia er unità di massa C m m T al 1 g C H 2 O

8 Sostanza Caaità Termia Seifia Cal. Se. (J/g K) H 2 O Gliol etilenio 2.39 Al etro 0.84 Al

9 Trasferimento di Calore senza ambiamento di stato q (alore se.)(massa)( T)

10 Trasferimento di dicalore on Cambiamento di distato Il ambiamento di stato oinolge energia (a T ostante) Ghiaio J/g (alore( di fusione) Aqua liquida q (alore( di fusione)(massa) Ghiaio seo1 Ghiaio seo2

11 Cure di diraffreddamento/risaldamento dell aqua 0 risaldamento fusion e risaldamento Calore assorbito ebollizione Calore eduto risaldamento Nota he T è ostante quando il ghiaio fonde e quando l aqua bolle

12 trasmissione del alore: onduzione onezione irraggiamento alorimetri: strumenti er misurare quantità di alore sambiate e alori seifii. Esemio: il alorimetro delle mesolanze x a x m m m m a x a x ( T T1 ) ( T T) 2 ( T T1 ) ( T T) 2

13 Termodinamia studia il modo in ui il alore e il laoro engono sambiati tra un sistema e l ambiente on ui esso interagise sistema - ambiente - stato termodinamio Sistema termodinamio: è ostituito da un grandissimo numero di artielle (ordine di grandezza ) di ui interessa il omortamento di insieme esemio di sistema termodinamio: un gas ontenuto all interno di un allonino Sistema termodinamio modello: gas ideale (ontenuto in un ilindro munito di istone rio di attriti) ariabili termodinamihe: grandezze fisihe he desriono lo stato del sistema, la sua energia e le trasformazioni del sistema (,, T)

Equilibrio termodinamio: le ariabili termodinamihe sono ostanti Ogni unto nel iano P- raresenta uno stato termodinamio Trasformazioni ideali

14 Equilibrio termodinamio: le ariabili termodinamihe sono ostanti Ogni unto nel iano P- raresenta uno stato termodinamio Trasformazioni ideali quasi-statihe e trasformazioni reali (raresentazione nel iano -) A A B B le trasformazioni ideali quasi-statihe ossono essere reersibili o irreersibili

15 Il sistema uò sambiare energia on l ambiente sotto forma di laoro o alore gas (,, T) il laoro è ositio (L > 0) se omiuto dal sistema sull ambiente il alore ( > 0) è ositio se assorbito dal sistema Termostato: sorgente di alore a T ost. in grado di fornire una qualunque quantità di alore senza he la sua temeratura ari (aaità termia infinita)

16 equialente meanio del alore L mgh ma T L J Joule al animazione

17 dl L Laoro in Termodinamia esansione quasi-statia (gas ideale, ilindro-istone) f dl i f Fdy i A f Ady i d d i f A i il laoro è l area sottesa dalla ura he raresenta la trasformazione nel iano - L > 0 B f i A L < 0 B f B A gas (,, T) L > 0 L < 0 dy i f f i

18 trasformazione isobara: ost. trasformazione isoora: ost. L f L 0 i i f trasformazione isoterma: T ost. nrt R 8.3J / K mole A L f d i f i nrt d nrt ln f i i f i f B

19 il laoro non è una funzione di stato ma diende dalla trasformazione eseguita A A A i i i f B f B f B i f i f i f il alore non è una funzione di stato 2, 2, T 2, 2, T 1, 1, T termostato uoto 1, 1, T membrana esansione isoterma e esansione libera adiabatia

20 I riniio della termodinamia E L E energia interna funzione di stato Il I riniio è l esressione del riniio di onserazione dell energia in termodinamia N.B. energia interna alore il alore è l energia he fluise fra il sistema e l ambiente er effetto della differenza di temeratura

21 Trasformazioni adiabatihe ( 0) E L Trasformazioni isoore ( ost.) E Trasformazioni ilihe E 0 L Esansione libera adiabatia (0, L 0) E E(T) E 0

22 il alore non è una funzione di stato bis E AB AB ost. L AB 0 B f i A C T+ T T E AC AC L AC AC i f T B T C T f E AB E AC ; E E(T) AB AC AB < AC

23 Calore seifio a olume ostante e a ressione ostante dei gas erfetti E AB AB ost. L AB 0 E AC AC L AC AC T B T C T f E AB E AC ; E E(T) f i A i B C f T+ T T AB AC AB AC T alore seifio molare a ost. T alore seifio molare a ost. T T R T R R > er un gas ideale monoatomio 3 E RT teoria inetia dei gas 2 E T T de 3 R dt R

24 Legge delle adiabatihe reersibili ( 0) E L γ ost. γ >1 B E ( L) A C E L

25 Legge delle adiabatihe reersibili ( 0) de + dl / E L er trasformazioni infinitesime de + d 0 onsideriamo una trasformazione on ost. (stesso de) de d / 0 dt il sistema assa da T a T + dt dt dt + + γ d RT d 0 0 T T γ 1 R dt T lnt T + R R + γ R γ d ln 0 B A lnt T T T R R A e ( ) γ 1 A B B B γ RB ost.

26 Entalia E L + E ( 2 1 ) + ( E2 E1 ) ( + E ) ( + E ) H H H 2 La maggior arte delle reazioni himihe aengono a resione ostante (ad esemio a ressione atmosferia) 2 1 H entalia (f. di stato) alore sambiato a ost Se Se H finale > finale H iniziale iniziale allora H è ositia Il Il roesso è ENDOTERMICO Se Se H finale < finale H iniziale iniziale allora H è negatia Il Il roesso è ESOTERMICO

27 Consideriamo la formazione di H 2 O H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) --> > H 2 O(g) kj Reazione esotermia il alore è un rodotto e H H kj

28 H 2 + O 2 gas Prearare H 2 O liquida da H 2 + O 2 oinolge due stadi esotermii termii. H 2 O aore H 2 O liquida

29 Prearare H 2 O da H 2 e O 2 oinolge due stadi. H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) ---> > H 2 O(g) H kj H - 44 kj H 2 O(g) ---> > H 2 O(liq) H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) --> > H 2 O(liq) H kj Esemio di LEGGE di HESS Se una reazione è la somma di 2 o iù reazioni, il H risultante è la somma dei H delle altre reazioni.

30 alori di Entalia Diendono da ome la reazione è sritta e dalla fase dei reagenti e dei rodotti H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) --> > H 2 O(g) 2 H 2 (g) + O 2 (g) --> > 2 H 2 O(g) H 2 O(g) ---> > H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) --> > H 2 O(l) H -242 kj H -484 kj H +242 kj H -286 kj C + O 2 CO 2 mol 94.03kal H kal C2H6O + 3 O2 2CO2 + 3H2O H kal

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