Lezione n. 4. Lavoro e calore Misura di lavoro e calore Energia interna. 04/03/2008 Antonino Polimeno 1

Dimensione: px

Iniziare la visualizzazioe della pagina:

Download "Lezione n. 4. Lavoro e calore Misura di lavoro e calore Energia interna. 04/03/2008 Antonino Polimeno 1"

Mattia Mori
7 anni fa
Visualizzazioni

1 Chimica Fisica - Chimica e Tecnologia Farmaceutiche Lezione n. 4 Lavoro e calore Misura di lavoro e calore Energia interna 04/03/2008 Antonino Polimeno 1

2 Sommario (1) - Un sistema termodinamico è una porzione di materia descritto da funzioni di stato che ne caratterizzano completamente le proprietà macroscopiche, che possono essere. - Intensive: non dipendono dalla quantità di massa (pressione, temperatura, potenziale chimico). - Estensive: dipendono dalla quantità di massa (volume, energia interna, entalpia, entropia, energia libera di Helmoltz e di Gibbs). - Un sistema può essere isolato (non interagisce con il mondo esterno), chiuso (non scambia materia con il mondo esterno), aperto (scambia materia con il mondo esterno), adiabatico (non scambia calore con il mondo esterno), diatermico (scambia calore con il mondo esterno) - Un sistema in equilibrio termodinamico soddisfa alle seguenti condizioni. - Equilibrio meccanico. La forza che il sistema esercita è uniforme in tutti i punti del sistema ed è equilibrata da forze esterne. - Equilibrio termico. La temperatura è uniforme in tutti i punti del sistema ed è uguale a quella dell ambiente circostante. - Equilibrio chimico. La struttura interna e la composizione chimica rimangono costanti. Antonino Polimeno 2

3 Sommario (2) - Un sistema termodinamico (all equilibrio) avente massa e composizione costanti è descritto da due coordinate macroscopiche: - e.g. pressione (o volume) e temperatura, una grandezza empirica che misura la capacità di cedere o acquistare energia senza esercitare o subire un lavoro. - Due sistemi in equilibrio termodinamico (meccanico, termico e chimico) sono caratterizzati dalle stesse coordinate macroscopiche. - Due sistemi diatermici (tra i quali possa avvenire scambio di calore) in equilibrio termodinamico hanno la stessa temperatura. - Se due sistemi sono entrambi in equilibrio termico con un terzo sistema, sono in equilibrio termico fra loro (principio zero della termodinamica). Antonino Polimeno 3

forza esterna generalizzata - Il calore è una variazione del contenuto energetico di un sistema che avviene in assenza

4 Energia / lavoro / calore - Energia potenziale / energia interna: capacità di compiere un lavoro - Il lavoro è una variazione del contenuto energetico di un sistema che avviene mediante uno spostamento generalizzato in presenza di una forza esterna generalizzata - Il calore è una variazione del contenuto energetico di un sistema che avviene in assenza di uno spostamento generalizzato ed in presenza di un gradiente di temperatura tra il sistema e l ambiente Antonino Polimeno 4

definisce in termodinamica per un sistema in quiete - Definizione molecolare : l energia interna è la somma delle energie

5 Energia interna - L energia interna U è una funzione di stato che misura il contenuto energetico totale di un sistema - Funzione di stato: definisce lo stato del sistema indipendentemente dalla sua storia passata - Il contenuto energetico si definisce in termodinamica per un sistema in quiete - Definizione molecolare : l energia interna è la somma delle energie cinetiche e potenziali di tutte le molecole costituenti un sistema (meno l energia cinetica del baricentro del sistema) Antonino Polimeno 5

6 Energia - L energia interna U èunafunzione di stato: il suo valore è determinato dallo stato del sistema e non dalla sua storia precedente. Se indichiamo con U 1 e U 2 i valori assunti dall energia interna di un sistema in due stati 1 e 2, la variazione dipende solo dai due stati - L energia interna è una proprietà estensiva. - L unità di misura di U è il joule (J) nel sistema internazionale, o l erg nel sistema cgs. - 1 J= 1 N 1m. - l energia interna molare è l energia interna di una mole ( molecole) di sostanza, misurata in j mol -1. U = U U Antonino Polimeno 6

7 I principio della termodinamica (1) - L energia interna di un sistema isolato si conserva - L energia interna di un sistema chiuso non si conserva,, perchè può essere ceduta o assorbita dall ambiente ambiente sotto forma di calore o lavoro - Lo scambio di energia sotto forma di calore è una variazione non-organizzata del moto delle componenti molecolari di un sistema, - mentre lo scambio di energia sotto forma di lavoro è una variazione organizzata. Antonino Polimeno 7

8 q > 0 sistema U q < 0 w > 0 w < 0 ambiente Antonino Polimeno 8

9 I principio della termodinamica / Esempio 1 25O g + 2C H g 16CO g + 18H O g ( ) ( ) ( ) ( ) Un contenitore chiuso contiene iso-ottano e ossigeno; una scintilla fa avvenire la reazione che libera anidride carbonica e acqua - La reazione è fortemente esotermica (vedi oltre) e libera calore - La reazione provoca un aumento di volume del gas contenuto nel reattore, che produce un lavoro netto del sistema sull ambiente Antonino Polimeno 9

10 I principio della termodinamica / Esempio 2 Ba(OH) 8H O + 2NH SCN Ba(SCN) + 2NH + 10H O Un contenitore chiuso contiene idrossido di bario e tiocianato di ammonio; la reazione produce ammoniaca e assorbe calore dall ambiente (senza variazioni apprezzabili di volume) - La reazione è fortemente endotermica (vedi oltre) e assorbe calore Antonino Polimeno 10

11 I principio della termodinamica / Esempio 3 Fe O + 2Al 2Fe + Al O Un contenitore chiuso contiene termite (ossido di ferro e alluminio); la reazione produce ferro e ossido di alluminio (senza variazioni apprezzabili di volume) - La reazione è fortemente esotermica (vedi oltre) e libera calore (e luce!) Antonino Polimeno 11

12 I principio della termodinamica / enunciazione completa - La variazione di energia interna di un sistema chiuso è uguale alla somma del lavoro e del calore scambiati con l ambiente U = q + w du = dq + qw = dq + dw + exp dw e Antonino Polimeno 12

13 Segni - Il calore ed il lavoro sono forme di scambio di energia, descritte sempre dal punto di vista del sistema: - se sono positivi, il sistema acquisisce energia - Calore positivo: il sistema ha preso energia in forma disordinata, dall ambiente (e.g. reazione endotermica) l energia interna del sistema aumenta - Lavoro positivo: il sistema ha subito un lavoro, vale a dire uno spostamento generalizzato nella direzione della forza generalizzata l energia interna del sistema aumenta - se sono negativi, il sistema perde energia - Calore negativo: il sistema cede energia in in forma disordinata, dall ambiente (e.g. reazione esotermica) l energia interna del sistema diminuisce - Lavoro negativo: il sistema compie un lavoro, vale a dire uno spostamento generalizzato nella direzione opposta della forza generalizzata l energia interna del sistema diminuisce Antonino Polimeno 13

14 Equivalenza lavoro / calore (1) Antonino Polimeno 14

Equivalenza lavoro / calore (2) - Il calore e il lavoro sono modi diversi di trasferire energia dal sistema all ambiente - Nel 1843, james Prescott Joule scrive: the mechanical

the motive power of the electro-magnetic engine is obtained at the expense of the heat due to the chemical reactions of the battery by which it is worked.

15 Equivalenza lavoro / calore (2) - Il calore e il lavoro sono modi diversi di trasferire energia dal sistema all ambiente - Nel 1843, james Prescott Joule scrive: the mechanical power exerted in turning a magneto-electric machine is converted into the heat evolved by the passage of the currents of induction through its coils; and, on the other hand, that the motive power of the electro-magnetic engine is obtained at the expense of the heat due to the chemical reactions of the battery by which it is worked. Unità di misura 1 J=1 kg m 2 s - 2 =1 N m La relazione tra J e caloria (cal) è la seguente: J di lavoro fanno aumentare la temperatura di 1 grammo di acqua da 14.5 C a 15.5 C 1 cal = J Antonino Polimeno 15

16 Forme di lavoro Forza generalizzata: : F Spostamento generalizzato: : s dw = Fds f dw = Fds pd F = p, ds = d w = Fds i Antonino Polimeno 16

Lavoro di volume (1) - Un cilindro è riempito di un gas; la sezione superiore del cilindro è chiusa da un pistone mobile, soggetto ad una pressione esterna costante p ext < p int.

17 Lavoro di volume (1) - Un cilindro è riempito di un gas; la sezione superiore del cilindro è chiusa da un pistone mobile, soggetto ad una pressione esterna costante p ext < p int. Il gas si espande ed il cilindro si sposta, portando il volume del sistema da i a f ( f > i ). Quanto vale il lavoro fatto/subito dal sistema? ( ) 0 w= p < ext f i Antonino Polimeno 17

18 Trasformazioni (1) - Trasformazione reversibile da uno stato i ad uno stato f: sia il sistema che l'universo possono essere riportati al loro stato iniziale - Trasformazione irreversibile da uno stato i ad uno stato f: il sistema e/o l'universo non possono essere riportati al loro stato iniziale f i Antonino Polimeno 18

19 Trasformazioni (2) Immissione di un gas all interno di un recipiente rigido Antonino Polimeno 19

20 Trasformazioni (3) Antonino Polimeno 20

21 Lavoro di volume (1) p = p +δ p ext int p1, 1 p2, 2 p3, 3 Antonino Polimeno 21 p, 4 4

22 Lavoro di volume (2) w p pd pδ p δ δ... = Per una trasformazione reversibile isoterma in un gas perfetto: f i w f nrt = pd = d = i f 1 = nrt d = nrt ln f = i f i i nrt ln Antonino Polimeno 22 i f

23 Lavoro di volume (3) p w = nrt ln i f p ext w= p ext Antonino Polimeno 23

Documenti analoghi

Il I principio della termodinamica. Calore, lavoro ed energia interna

Il I principio della termodinamica Calore, lavoro ed energia interna Riassunto Sistemi termodinamici Un sistema termodinamico è una porzione di materia descritto da funzioni di stato che ne caratterizzano