CHIMICA FISICA SUPERIORE

CHIM/02 - 6 CFU - 1° semestre

Docente titolare dell'insegnamento

GIOVANNI MARLETTA


Obiettivi formativi

Conoscenza e capacità di comprensione:

Obbietivi del corso sono lo sviluppo di solide conoscenze di base di termodinamica statistica e di teoria e modelli di transizioni di fase nella "soft matter", necessarie per riconoscere e interpretare, in modo almeno semiquantitativo, i fenomeni e processi riguardanti i modi di flusso laminare o turbolenti per fluidi semplici e complessi, la connessione fra comportamenti viscoelastici della “soft matter” e tempi di rilassamento, i processi di transizione vetrosa, i processi di separazione di fase in sistemi molecolari, nonché i meccanismi di nucleazione e crescita, omogenea o eterogenea, di fasi nanometriche, nozioni di base di calcolo delle probabilità per variabili aleatorie discrete e continue e loro applicazione alle funzioni di stato rilevanti in termodinamica statistica.

Conoscenza e capacità di comprensione applicate:

Gli studenti dovranno essere in grado di applicare le conoscenze acquisite a processi di manipolazione dei sistemi chimici complessi di rilevanza nel campo dei materiali funzionali avanzati, nel campo delle applicazioni per la salute, nel campo ambientale ed energetico. Sistemi applicati di vasto impatto sociale sono infatti i sistemi nanometrici e a piccoli clusters, i materiali con proprietà ottiche, optoelettroniche ed elettriche non lineari, i sistemi "stimuli responsive", i sistemi multifase “programmabili”, con proprietà funzionali modulabili nel tempo, i gel polimerici, etc… Gli studenti del corso acquisiranno le nozioni di base per poter operare su tali sistemi.

Autonomia di giudizio:

Si propongono elementi di valutazione molteplice per rendere gli studenti capaci valutare autonomamente la pertinenza e l'applicabilità delle diverse metodiche di analisi apprese nel corso ai sistemi citati sopra come applicazioni rilevanti nei campi del manifatturiero, dell’ambiente, delle energie rinnovabili e della salute, imparando a valutare autonomamente e criticamente la rilevanza delle opzioni tecnologiche disponibili rispetto alla effettiva efficacia.

Gli studenti svilupperanno abilità comunicative sia mediante sessioni di presentazione frontale che di presentazioni di mini-seminari basati su resoconti sintetici su argomenti complessi del corso.

Gli studenti svilupperanno la loro capacità di apprendimento in modo specifico, mettendo in connessione i diversi aspetti teorici fra di loro e con i relativi aspetti fenomenologici e valutando criticamente il grado di generalità e pertinenza delle asserzioni relative alla coerenza e congruità del quadro di conoscenze.


Modalità di svolgimento dell'insegnamento

Lezioni frontali con presentazioni power point.

Esercitazioni numeriche in aula.


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 e William-Landel-Ferry - Modelli cooperativi: Gibbs-Di Marzio, Adam-Gibbs - Regioni di riorganizzazione cooperativa, Barriere energetiche "cooperative", Entropia configurazionale.

2. Transizioni di fase in sistemi molecolari condensati – Concetti di base sulle transizioni di fase – Transizioni di miscibilità in sistemi molecolari: Energia libera, curvatura della funzione energia libera e separazioni di fase - 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 sotto-raffreddamento 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" nei polimeri - Modelli semplici di "reptation" di catena.

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, metodo dei moltiplicatori di Lagrange e valore del parametro b - Funzioni di partizione e grandezze termodinamiche: energia libera, equazione di Gibbs-Helmholtz, entropia, capacità termica - Fluttuazioni di energia.

4. “Smart Systems” – Concetti di base su “smart systems” - Sistemi adattivi a risposta variabile: “stimuli-responsive systems” – Fattori di stimolo e tempi di risposta di sistemi differenti – 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 2 : capitoli da “Soft Condensed Matter, R.A.L.Jones, Oxford University Press, UK, 2011

Parte 3: T.L.Hill - An Introduction to Statistical Thermodynamics", Dover Publications1, USA, 1986


Altro materiale didattico

Dispense delle lezioni.

Power points delle lezioni.



Programmazione del corso

 ArgomentiRiferimenti testi
11.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 Dispense di lezione - Cap.2.1-2.2-2.3 - R.A.L. Jones ''Soft condensed Matter'' 
2Moti 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 -Appunti di lezione -  
3Relazione 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 Appunti di lezione - Cap.2.3 -2.4 - R.A.L. Jones ''Soft condensed Matter'' 
4Transizioni di fase cinetiche e modelli di rilassamento - Modelli del volume libero: Fox-Flory e William-Landel-Ferry - Modelli cooperativi: Gibbs-Di Marzio, Adam-Gibbs - Regioni di riorganizzazione cooperativa, Barriere energetiche "cooperative", Entropia configurazionale.Appunti di lezione - Cap.2.4 - R.A.L. Jones ''Soft condensed Matter'' -  
52. Transizioni di fase in sistemi molecolari condensati – Concetti di base sulle transizioni di fase – Transizioni di miscibilità in sistemi molecolari: Energia libera, curvatura della funzione energia libera e separazioni di fase - Parametro di interazione di componenti di fase - Interfacce tra fasi - Meccanismi di separazione di fase - Processi di decomposizione spinodale - Processi di nucleazione omogenea –Appunti di lezione - Cap.3.1-3.3 - R.A.L. Jones ''Soft condensed Matter'' -  
6Tensione superficiale e interfacce fra fasi eterogenee – Transizioni di fase liquido-solido – Processi di sotto-raffreddamento 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, raggi critici, stabilità di fronti di solidificaz.Appunti di lezione - Cap.3.3 - R.A.L. Jones ''Soft condensed Matter'' - 
7Cenni a proprietà viscoelastiche di sistemi polimerici - Modelli semplici di "entanglement" nei polimeri - Modelli semplici di "reptation" di catena. Appunti di lezione - Cap.5.5 - R.A.L. Jones ''Soft condensed Matter'' - 
83. 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” –Appunti di lezione - 
9Distribuzione 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 –Appunti di lezione - Cap.1 -2 Parte 3: T.L.Hill - An Introduction to Statistical Thermodynamics", Dover Publications1, USA, 1986 
10Funzioni di partizione, metodo dei moltiplicatori di Lagrange e valore del parametro  - Funzioni di partizione e grandezze termodinamiche: energia libera, equazione di Gibbs-Helmholtz, entropia, capacità termica - Fluttuazioni di energia.Appunti di lezione - Parte 3: T.L.Hill - An Introduction to Statistical Thermodynamics", Dover Publications1, USA, 1986 
114. “Smart Systems” – Concetti di base su “smart systems” - Sistemi adattivi a risposta variabile: “stimuli-responsive systems” – Fattori di stimolo e tempi di risposta di sistemi differentiAppunti di lezione - Cap. 6 - R.A.L. Jones ''Soft condensed Matter'' 
12Esempi di sistemi “stimuli responsive”: gel polimerici, fasi amorfe e fasi vetrose, materiali “cellulari” - Risposte non lineari in sistemi nanostrutturati.Appunti di lezione - 


Verifica dell'apprendimento


MODALITÀ DI VERIFICA DELL'APPRENDIMENTO

L'esame consiste in una prova orale, riguardante esclusivamente gli argomenti trattati a lezione. Elementi di valutazione fondamentali della preparazione dello studente la correttezza degli enunciati, la dimostrata comprensione dei procedimenti di derivazione dei principali risultati, la correttezza delle equazioni discusse, la proprietà di linguaggio scientifico. Sono considerati come ulteriori e auspicabili aspetti di validità della preparazione la coerenza logica dei concetti esposti e la capacità di correlare formulazioni teoriche e natura dei processi chimici. La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.


ESEMPI DI DOMANDE E/O ESERCIZI FREQUENTI

Definizione e proprietà dei sistemi di "soft matter".

Proprietà viscoelastiche e tempi di rilassamento in "materiali soft".

Confronto fra transizioni vetrose e transizioni del 1° ordine.

Transizioni di miscibilità in sistemi molecolari ed Energia libera di transizione

Separazioni di fase: Processi di decomposizione spinodale e Processi di nucleazione omogenea

Meccanismi di nucleazione omogenea ed eterogenea in transizioni liquido-solido

Definizione e calcolo di probabilità di variabili aleatorie

Funzione di partizione per l'insieme canonico e relative funzioni termodinamiche.




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