CHIMICA FISICA SUPERIORE

CHIM/02 - 6 CFU - 1° semestre

Docente titolare dell'insegnamento

GIOVANNI MARLETTA
Email: gmarletta@unict.it
Edificio / Indirizzo: Edificio 1 - Dipartimento di Scienze Chimiche - Viale A.Doria 6 - Catania
Telefono: 095-7385130
Orario ricevimento: Mercoledì ore 11.00 - 13.00 - Giovedì 9.00 - 11.00


Obiettivi formativi

Fornire gli elementi di base per la comprensione dei modi di flusso laminari e turbolenti di liquidi semplici e liquidi complessi

- Fornire gli elementi per la comprensione della relazione fra sforzo applicato, tempi di rilassamento e modulo di taglio e/o viscosaità in sistemi di "soft matter"

- Fornire le basi per la comprensione di comportamenti a "shear thinning" e "shear thickening" in fluidi complessi

- Mettere gli studenti in grado di interpretare processi di transizioni vetrose in funzione del range di temperature

- Mettere gli studenti in grado di interpretare Processi di separazione in sistemi liquido-liquido miscibili e di solidificazione in sistemi liquido-solido.

- Mettere gli studenti in grado di comprendere, prevedere e analizzare processi di decomposizione spinodale.

- Mettere gli studenti in grado di comprendere, prevedere e analizzare processi di nucleazione omogenea edeterogenea e di predire raggi critici di nucleazione in funzione dell'energetica del processo.

- Fornire agli studenti nozioni di base di calcolo delle probabilità per variabili aleatorie discrete e continue.

- Fornire agli studenti le nozioni di base sul significato ed uso delle funzioni di distribuzione statistiche.

- Fornire agli studenti le nozioni necessarie per utilizzare la funzione di stato di Gibbs per l'analisi delle grandezze termodinamiche all'equilibrio.

- Fornire agli studenti elementi di base per la comprensione di sistemi "stimuli responsive"

- Fornire agli studenti le nozioni necessarie per la comprensione e l'uso di gel polimerici.

- Fornire agli studenti elementi di valutazione per comportamenti a risposta non lineare in sistemi nanostrutturati.


Modalità di svolgimento dell'insegnamento

Lezioni frontali con presentazioni power point.


Prerequisiti richiesti

- Nozioni di base di elettrostatica: potenziali elettrici, forze coulombiane, distribuzioni di carica notevoli

- Nozioni di base di chimica fisica delle superfici ed interfacce ed in particolare di tensione superficiale e di forze di coesione in fasi condensate
- Nozioni di base di calcolo differenziale e integrale: campo di esistenza di una funzione, derivate, integrali definiti e indefiniti, serie e sviluppi in serie, semplici equazioni differenziali del primo e secondo ordine

- Proprietà di funzionali termodinamici: energia libera di Helmholtz, di Gibbs, entropia, energia interna e principali relazioni termodinamiche



Frequenza lezioni

- Richiesta la frequenza ad almeno il 70 % delle lezioni, ed in particolare alle lezioni sui concetti di base di Moti di trasporto e proprietà di rilassamento di materia molecolare, Transizioni di fase e Elementi di ermodinamica Statistica.



Contenuti del corso

1.Elementi di base di chimica fisica dei sistemi complessi in fase condensata – Forze intermolecolari, energia, dimensioni spaziali e tempi di risposta in fase condensata – Processi di trasporto: flusso e viscosità in liquidi complessi - Viscosità e viscoelasticità in fluidi complessi - Moti laminari e moti turbolenti - Viscosità e flusso - Fluidi newtoniano e non newtoniani - Fluidi viscosi pseudoplastici - fluidi dilatanti - Equazioni empiriche di flussi di scorrimento - Fluidi viscoplastici e fluidi di Bingham - Relazione di Maxwell e applicazioni – Comportamenti viscoelastici e tempi di rilassamento – Entropia e modi di rilassamento: transizioni vetrose - Regimi di rilassamento alla Arrhenius e non-Arrhenius - Tempi di rilassamento da modi vibrazionali e da modi di entropia configurazionale - Transizioni di fase cinetiche e modelli di rilassamento - Modelli del volume libero: Fox-Flory, Simha-Boyer, William-Landel-Ferry - Modelli cooperativi: Gibbs-Di Marzio, Adam-Gibbs - Regioni di riorganizzazione cooperativa, Barriere energetiche "cooperative", Entropia configurazionale tempo di rilassamento.

2.Transizioni di fase in sistemi molecolari condensati – Concetti di base sulle transizioni di fase - Transizioni di miscibilità in sistemi molecolari - Enegia libera e separazioni di fase - Curvatura della funzione energia libera e separazioni di fase: sistemi instabili e metastabili - Parametro di interazione di componenti di fase - Interfacce tra fasi - Meccanismi di separazione di fase - Processi di decomposizione spinodale - Processi di nucleazione omogenea – Tensione superficiale e interfacce fra fasi eterogenee – Transizioni di fase liquido-solido – Processi di sottoraffreddamento e solidificazione – Transizioni di fase liquido-solido: transizioni cristalline - Processi di nucleazione omogenea in transizioni liquido-solido – Meccanismi di nucleazione omogenea in transizioni liquido-solido - Barriere di energia alla nucleazione omogenea e raggi critici - Processi di nucleazione eterogenea - Barriere di energia alla nucleazione eterogenea e raggi critici – Stabilità di fronti di separazione di fase - Cenni a proprietà viscoelastiche di sistemi polimerici - Modelli semplici di "entanglement" - Modelli semplici di "reptation".

3.Elementi di base di Termodinamica Statistica – Concetti di evento casuale, probabilità e variabili aleatorie – Distribuzioni di Poisson e di Gauss – Probabilità e “valori di aspettazione” – Distribuzione di Maxwell – Distribuzione di Boltzmann – Distribuzione di Gibbs e funzione di stato o di partizione – Insieme Microcanonico – Insieme Canonico – Medie sugli insiemi e metodo della distribuzione più probabile – Funzioni di partizione e grandezze termodinamiche: energia libera, equazione di Gibbs-Helmholtz, entropia, capacità termica - Fluttuazioni di energia – Cenni di termodinamica dei processi irreversibili.

4.“Smart Systems” – Concetti di base su “smart systems” - Sistemi adattivi a risposta variabile: “stimuli-responsive systems” – Fattori di stimolo e tempi di risposta del sistema – Esempi di sistemi “stimuli responsive”: gel polimerici, fasi amorfe e fasi vetrose, materiali “cellulari” - Risposte non lineari in sistemi nanostrutturati.



Testi di riferimento

Parti 1 e 3: capitoli da “Soft Condensed Matter, R.A.L.Jones, Oxford University Press, UK, 2011

Parte 2: capitoli da “Statistical Mechanics” D.A. McQuarrie, University Science Book, USA, 2000


Altro materiale didattico

Dispense delle lezioni.

Power points delle lezioni.



Verifica dell'apprendimento


MODALITÀ DI VERIFICA DELL'APPRENDIMENTO

Esami orali.




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