Obiettivi formativi
Il corso introduce allo studio delle proprietà di equilibrio dei sistemi macroscopici, delle leggi di base della termodinamica chimica, e delle velocità di reazione.
Prerequisiti
Nozioni di chimica generale, fisica generale e analisi matematica.
Contenuti dell'insegnamento
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- Clapeiron 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. I diagrammi di stato liquido-solido. Gli eutettici, la fusione incongruente.
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. L'effetto della temperatura sulle velocità di reazione.
Bibliografia
Atkins,P., and J. de Paula. PhysicalChemistry. New York, NY: W.H. Freemanand Company, 2001.
