Dipartimento di Scienze Chimiche. Ambiente. Sistema

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1 Descrizione macroscopica dei sistemi materiali Sistema: materia compresa entro una superficie chiusa (ad esempio la superficie interna di un contenitore, ma può essere anche una superficie matematica, ovvero una superficie scelta a piacere pur non essendoci barriere fisiche). Quello che rimane definisce l'ambiente. Ambiente Sistema 1

2 La descrizione macroscopica dei sistemi si basa su proprietà misurabili, ad esempio: volume (V ) in funzione della pressione (p) Fase gassosa la fase gassosa è facilmente comprimibile Le fasi liquide o solide sono difficilmente comprimibili I sistemi solidi hanno una forma propria, mentre i sistemi liquidi assumono La forma del contenitore 2

3 La pressione p del sistema è una grandezza ben definita? La pressione può dipendere dal tempo o dal punto dello spazio: ad esempio in reazioni esplosive o per effetto di un ventilatore Le grandezze macroscopiche sono univocamente date solo per sistemi all equilibrio: sistemi invarianti nel tempo ed in assenza di perturbazioni esterne I sistemi all equilibrio sono costituiti da una sola fase e si dicono omogenei : Significa che le loro proprietà sono identiche in tutti i punti. Argomento principale del corso è la descrizione macroscopica dei sistemi all equilibrio secondo la Termodinamica di equilibrio Esistono anche 1) Termodinamica di non equilibrio (la cinetica chimica ne è un esempio) 2) Termodinamica statistica (connessione tra descrizione molecolare e descrizione macroscopica) 3

4 Lo stato termodinamico del sistema viene rappresentato tramite proprietà macroscopiche misurabili, dette variabili di stato o proprietà di stato (o grandezze di stato). Queste grandezze si distinguono in: 1) Proprietà estensive: dipendenti dallestensione del sistema e quindi proporzionali alla quantità di materia. Esempi: massa m, volume V, numero di moli n i dei componenti i e numero di moli totali n=σ n i. 2) Proprietà Intensive: indipendenti dall estensione del sistema e descrittive delle proprietà puntuali del sistema. Esempi: densità ρ = m/v, pressione p, temperatura T, indice di rifrazione, costante dielettrica, ecc. I E / E = E1 E2 Il rapporto fra due variabili di stato estensive ed, 1 2 è una variabile di stato intensiva, ad esempio ρ = m/v 4

5 Pressione Pressione p ext esercitata da una forza esterna F ext agente su un pistone di superficie S è uguale a: p ext = F ext /S Condizione di Equilibrio meccanico: p ext = pressione p esercitata dal sistema (altrimenti si ha spostamento del pistone) Unità di misura SI (Sistema Internazionale) della pressione: Pascal (Pa) kg m/s 2 Pa:= Newton / m 2 =kg/m s 2 1 bar = Pa 1 Atm := bar = 760 mmhg (Torr) Pressione esercitata da una colonna di altezza h di un liquido a densità ρ (g=9.86 m/s 2 : accelerazione di gravità p = ρgh 5

6 Temperatura Proprietà della temperatura assoluta: 1) K: minima temperatura possibile T = 0 2) misura dell energia termica associata al moto molecolare 2 v x m mv 2 /2 = k T /2 k B. R x x B : = R/ NAvog 6

7 Equazione di stato: relazione tra le variabili di stato Esempio: un gas puro a pressioni non troppo elevate (fino a qualche bar) è descritto dalla legge dei gas ideali (o perfetti) spostamento 7

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9 Problema fondamentale della termodinamica: determinare le funzioni di stato Questione preliminare: quante e quali variabili indipendenti? Sistemi aperti (chiusi): sistemi che (non) possono scambiare materia con l'ambiente. 9

10 Rappresentazioni grafiche delle funzioni di stato nel caso di un gas ideale: nei primi due grafici una variabile è mantenuta costante mentre il terzo grafico è tridimensionale e mostra l andamento della funzione di stato al variare delle due variabili di stato 10

11 Sotto quali condizioni i gas reali sono descritti dal modello dei gas ideali? Per i gas ideali: Z = 1 Z Deviazione di dall unità: misura dello scostamento dall idealità Basse deviazioni dal modello dei gas ideali fino a pressioni di qualche bar 11

12 Quali sono le proprietà volumetriche per i liquidi (ed i solidi) puri? Esempio: a 1 bar e 293 K (20 C), volume molare di un gas 12

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