1000373 - CHIMICA FISICA I M - Z

Lo studente deve apprendere le nozioni quantitative e problem solving di: forze e interazioni deboli, conservazione e trasferimenti di energia sotto forma di calore, entropia e machine termiche, equilibrio chimico, diagrammi di fase, elettrochimica dei processi reversibili.

In particolare:

a) conoscenza e capacità di comprensione. L'obiettivo della conoscenza sarà ottenuto spiegando i concetti base in modo rigoroso mediante l'utilizzo della matematica del calcolo differenziale, integrale e equazioni differenziali. L'obiettivo della capacità di comprensione degli argomenti trattati sarà perseguito utilizzando esempi che esulano dagli argomenti della termodinamica applicati alla chimica, ad esempio le applicazioni delle leggi della termodinamica alla biologia e ai materiali in modo interattivo con gli studenti.  

b) capacità di applicare conoscenza e comprensione. Questi obiettivi saranno ottenuti mediante lo svolgimento di esercizi numerici e teorici in aula degli argomenti trattati.

c)  l'autonomia di giudizio. Il test dell'autonomia di giudizio sarà stato raggiunto se e solo se sono stati raggiunti gli obiettivi a)  e b). Se il test risultasse negativo sarà cura del docente riprendere gli argomenti poco chiari con nuovi esempi e lezioni mirate a colmare le lagune residue.

d) capacità di comunicare. La capacità di comunicare in modo chiaro e rigoroso gli argomenti trattati sarà affrontato con delle lezioni ad inizio corso di comunicazione scientifica e un test finale scritto dove gli studenti espongono un argomento trattato durante il corso. 

e) capacità di proseguire lo studio in modo autonomo. Questo obiettivo sarà raggiunto e testato alla fine del corso utilizzando articoli scientifici inerenti il programma con esposizione in aula da parte degli studenti.

Il corso comprende 35 ore di lezioni teoriche e 36 ore di esercitazioni in aula.

Lezioni frontali, esercitazioni teoriche e numeriche in aula.

Sono richiesti, conoscenze di chimica generale, fisica I e matematica I e II.

E' richiesta la frequenza del 80% delle lezioni.

Stati di aggregazione della Materia.

Mondo macroscopico, mondo microscopico  e correlazioni proprietà - struttura. Stato solido, liquido, gassoso e plasma. Forze guida nell'assemblaggio delle fasi condensate. Curva di Morse, potenziali di interazione e problema di Madelung.

Proprietà dei gas.

Equazione di stato dei gas perfetti; la massa molare; miscele di gas perfetti, deviazioni dalla idealità ed equazioni di stato per i gas reali. Il fattore di compressibilità; miscele di gas reali.

Primo principio della Termodinamica.

Calore, lavoro e conservazione dell'energia. Lavoro di espansione e di compressione. Concetto di reversibilità e fenomeni spontanei. Funzioni di percorso. Funzioni di stato e differenziali.

Termologia.

Capacità termica e calori specifici. Energia interna e temperatura; entalpia e temperatura: relazioni tra i calori specifici. Processi isotermici e processi adiabatici - reversibili o irreversibili. La legge zero della Termodinamica.

Termochimica.

Entalpia di reazione e legge di Hess; Entalpia standard, relazioni tra ΔH e ΔU; ΔH in funzione della temperatura. Entalpia degli ioni in soluzione. Ciclo di Born-Haber.

Il secondo principio.

Il secondo principio. Efficienza delle macchine termiche e ciclo di Carnot. Il refrigerante di Carnot. Definizione dell'entropia. Entropia ed integrale ciclico. Prova generale per l'integrale ciclico dell'entropia. La diseguaglianza di Clausius. Proprietà dei differenziali esatti. Entropia in funzione di T,V e T,P. Variazioni  di stato ed entropia.

La terza legge.

Variazioni di entropia per il gas ideale. Lo stato standard per il gas ideale. La terza legge ed entropia standard. Variazioni di entropia per una reazione chimica e dipendenza dalla temperatura.

Entropia e probabilità.

Entropia, probabilità dello stato  e spontaneità. Probabilità , probabilità termodinamica ed entropia. Forma generale per la probabilità termodinamica. La distribuzione dell’energia. Terzo principio, entropia di mescolamento e di difetti di punto. Eccezioni apparenti - e non - alla terza legge.

Spontaneità ed equilibrio.

Entropia del sistema, entropia dell'ambiente e condizioni di spontaneità ed equilibrio. La funzione di Helmotz e la funzione di Gibbs. L'equazione fondamentale della termodinamica. Funzione di Gibbs e variazioni di T, P e composizione. Il potenziale chimico. Potenziale chimico in un gas ideale e nei gas reali. Il concetto di unicità formale e la fugacità.

I cambiamenti  di stato.

Potenziale chimico e principio della stabilità delle fasi. Transizioni di fase del primo ordine. Transizioni di fase del secondo ordine. Diagramma di stato dell'acqua. La superficie, la tensione superficiale e la capillarità.

Le miscele e l’attività.

Volume molare nelle miscele. La legge di Gibbs-Duhem. Processi di mescolamento e spontaneità. Soluzioni di soluti non volatili;  le proprietà colligative: ebullioscopia, crioscopia ed osmosi. Miscele di liquidi volatili: il concetto di attività. Le leggi limite di Raoult e di Henry. Le equazioni limite della Chimica.

L'equilibrio chimico.

Il criterio di spontaneità e di equilibrio per una reazione chimica. Equilibrio, la costante di equilibrio e l'influenza di catalizzatori, sostanze inerti, temperatura e pressione.

Elettrochimica.

Attività degli ioni in soluzione e legge di Debye-Huckel. Il concetto di forza ionica e l'influenza sulla solubilità. Forma delle leggi limite della chimica in soluzione diluita. Potenziale elettrochimico. Elettrodi e celle elettrochimiche più comuni. Potenziali elettrochimici standard e serie elettrochimica. L’equazione di Nernst. Pile, accumulatori  ed elettrolisi.

Gli equilibri di fase.

Energia libera di mescolamento e diagrammi di fase. Regola delle fasi, regola della leva e diagrammi di fase. Sistemi ad un componente. Sistemi a due componenti. Sistemi a due componenti con uno o più prodotti. Sistemi a tre componenti. Influenza della forza ionica.

Testi consigliati:

Compiani et al., Chimica-Fisica (UTET)

Lo studente è libero di scegliere qualunque libro di testo.

La verifica dell'apprendimento consisterà in una prova scritta con risoluzione numerica di problemi su gas, di termodinamica ed elettrochimica. La data, l'ora e l'aula dove si svolgeranno gli esami saranno disponibili sul calendario ufficiale disponibile sulle seguenti piattaforme: sito web del dipartimento e su SMARTEDU.

Per lo svolgimento della prova scritta lo studente dovrà essere munito di calcolatrice scientifica. Tabelle specifiche, e valori numerici di costanti necessarie alla risoluzione dei quesiti assegnati saranno fornite in aula dal professore. 

Il superamento della prova scritta è conditio sine qua non per l'accesso alla prova orale. Tale prova verterà sugli argomenti trattati durante il corso. Il voto finale dell'esame  terrà conto sia della prova scritta che della prova orale.

Altre informazioni poste dagli studenti saranno date il primo giorno di lezione.

Esame orale, esempio di domande:

Relazioni fondamentali della termodinamica.

Relazione tra energia libera di Gibbs e costante di equilibrio.

Entropia e macchine termiche.

Transizioni di fase e diagrammi di fase.

Esempi di esercizi numerici della prova scritta:

a) Tracciare l'isoterma PV di un gas di van der Waals per il cloro molecolare a 350 3 450 K,con P compreso tra 0 e 100 bar e V compreso tra 0 e 3 cm³ mole^-1 sapendo che per Cl₂ a= Pam⁶mole^-2 e b=  m³mole^-1*10-3

b) Un uomo mediamente pesa 70 kg e produce circa 10460 kJ di calore al giorno.. Considerando che l'uomo è un sistema aperto ed il meccanismo principale per mantenere la temperatura costante consiste nella evaporazione dell'acqua, calcolare quanta acqua deve evaporare al giorno per mantenere la temperatura costante a 37 °C sapendo che la variazione di entalpia di evaporazione a 37°C vale 43.4 kJmole-1. 

c) Data una generica reazione allo stato gassoso A<->C+D endotermica ed ha una costante di equilibrio di 1 bar a 25°C. Calcolare;

1) il delta G° a 25 °C

2) il delta S° è positivo o negativo

3) a 40°C delta G° sarà negativo o positivo.