Obiettivi formativi
Il corso si propone di fornire: (a) le conoscenze di base della termodinamica e delle sue leggi e del loro utilizzo operativo nello studio degli aspetti termodinamici dei fenomeni chimici e chimico-fisici; (b) I concetti basilari per l’interpretazione molecolare delle proprietà termodinamiche; (c) le conoscenze di base per lo studio degli aspetti cinetici dei processi chimici.
In particolare, lo studente dovrebbe essere in grado di:
1. Conoscere le grandezze termodinamiche fondamentali e le leggi che le governano, nonchè l'origine molecolare delle proprietà termodinamiche stesse.
2. Applicare le leggi della termodinamica ai vari processi chimici e chimico-fisici: proprietà dei gas, termochimica, soluzioni, equilibri di fase ed equilibri chimici;
3. Applicare le conoscenze di base degli aspetti cinetici delle reazioni chimiche
4. Valutare in modo critico e consapevole gli aspetti termodinamici e cinetici dei processi chimici
5. Autovalutare il proprio grado di raggiungimento di quanto richiesto nei punti precedenti (1-4), anche attraverso una loro efficace comunicazione sia scritta che orale.
Prerequisiti
Nozioni di base di Chimica generale, Analisi matematica e Fisica.
Contenuti dell'insegnamento
1. La legge zero della termodinamica e le proprietà dei gas.
2. La prima legge della termodinamica e la termochimica.
3. La seconda legge della termodinamica.
4. L'energia di Gibbs ed i potenziali chimici.
5. I diagrammi di fase delle sostanze pure.
6. Le soluzioni
7. I diagrammi di stato a più componenti.
8. L'equilibrio chimico.
9. La Cinetica Chimica.
Programma esteso
1. La legge zero della termodinamica e le proprietà dei gas. I concetti primitivi della termodinamica: stato, sistema e proprietà termodinamiche, trasformazioni di stato e processi di trasformazione. La temperatura e la legge zero della termodinamica. L'equazione di stato del gas ideale. Cenni di teoria cinetica dei gas. I gas reali: l'equazione del virale, l'equazione di van der Waals, le costanti critiche e la legge degli stati corrispondenti.
2. La prima legge della termodinamica. Lavoro, calore ed energia interna. Lavoro espansivo reversibile e irreversibile. Espansione isoterma del gas ideale. Il calore e le capacità termiche. Le proprietà dell'energia interna: trasformazioni a volume costante, espansione libera di un gas ideale. L'entalpia e le trasformazioni a pressione costante. Le proprietà termodinamiche del gas ideale. Termochimica: variazioni di entalpia ed energia nelle reazioni chimiche e nelle transizioni di fase. Lo stato standard degli elementi e dei composti. Le entalpie standard di formazione. La legge di Hess. L'effetto della temperatura sulle entalpie di reazione. La calorimetria a pressione costante ed a volume costante. Le entalpie di legame.
3. La seconda legge della termodinamica. Le formulazioni di Kelvien e Clausius. L'entropia. La disuguaglianza di Clausius e le trasformazioni irreversibili. Il ciclo di Carnot. Le variazioni di entropia nelle trasformazioni elementari. La terza legge della Termodinamica e l'entropia assoluta delle sostanze. L'entropia come misura del disordine molecolare. Le trasformazioni spontanee nei sistemi isolati. L'energia di Hemholtz e le trasformazioni spontanee nei sistemi a volume e temperatura costante. L'energia di Gibbs e le trasformazioni spontanee nei sistema a temperatura e pressione costanti.
4. L'energia di Gibbs ed i potenziali chimici. L'equazione fondamentale della termodinamica e le relazioni di Maxwell. L'effetto della pressione e della temperatura sull'energia di Gibbs. L'equazione di Gibbs-Helmholtz. Il potenziale chimico delle sostanze pure. Il potenziale chimico dei gas reali.
5. I diagrammi di fase delle sostanze pure. Le regioni di stabilità, le linee di equilibrio tra fasi, il punto triplo ed il punto critico. La stabilità e l'equilibrio tra fasi in termini dell'energia di Gibbs . L'equazione di Clausius- Clapeyron per le linee di confine di fase.
6. Le soluzioni: Le quantità molari parziali. I potenziali chimici in soluzione. L'equazione di Gibbs-Duhem. La termodinamica del processo di mescolamento. Il potenziale chimico nelle soluzioni ideali e nelle soluzioni diluite ideali . Le proprietà colligative delle soluzioni. Le attività termodinamiche per il soluto e per il solvente. Le soluzioni regolari.
7. I diagrammi di stato a più componenti. La regola delle fasi di Gibbs. I sistemi a due componenti: i diagrammi temperatura-pressione, i diagrammi temperatura-composizione: la distillazione delle miscele, gli azeotropi.
8. L'equilibrio chimico. L'energia di Gibbs di reazione e la direzione di trasformazione spontanea. L'energia di Gibbs standard di reazione, il quoziente di reazione e la costante di equilibrio. Reazioni tra gas ideali e tra gas reali. Le reazioni in soluzione. L'effetto della temperatura e della pressione sull'equilibrio chimico.
9. Cinetica Chimica. La velocità di reazione: definizione e metodi di misura. Le leggi cinetiche e l'ordine di reazione. Forma integrata delle cinetiche di primo e secondo ordine. Cinetiche chimiche complesse. L'effetto della temperatura sulle velocità di reazione. La catalisi.
Bibliografia
Peter W. Atkins,Julio De Paula, Chimica Fisica, 5a Ed., Zanichelli, 2012.
Ilya Prigogine,Dilip Kondepudi, Termodinamica. Dai motori termici alle strutture dissipative, Bollati-Boringhieri, 2002
Metodi didattici
Le attività didattiche vengono condotte mediante lezioni frontali (48h) che vengono integrate da seminari di approfondimento e tutoraggio (12h).
Le slide utilizzate a supporto delle delle lezioni verranno caricate settimanalmente sulla piattaforma Elly, che sarà accessibile mediante iscrizione al corso.
Le slide vengono considerate, insieme ai testi di riferimento parte integrante del materiale didattico. Gli studenti non frequentanti possono controllare il materiale didattico disponibile tramite la piattaforma Elly.
Modalità verifica apprendimento
La modalità di verifica dell'apprendimento consiste in una prova orale mediante interrogazione. Durante la prova verrà verificato il grado di conoscenza e di comprensione degli aspetti termodinamici e cinetici dei sistemi chimici e delle loro trasformazioni.
Altre informazioni
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Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
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