9794330 - CHIMICA FISICA SUPERIORE

Conoscenza e capacità di comprensione: 

Obiettivi 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.

• Abilità comunicative:

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. 

• Capacità di apprendimento: 

Lezioni frontali con presentazioni power point.

Esercitazioni numeriche in aula.

- 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 interfacciale e di forze di coesione in fasi condensate “soft”
- 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

- Nozioni di base sui potenziali di interazione intermolecolari.

1.      Chimica fisica dei sistemi complessi in fase condensata –

Forze intermolecolari, energia, dimensioni spaziali e tempi di risposta in fase condensata – Aspetti fenomenologici della risposta di sistemi complessi a stimoli – Relazioni stress-deformazione ed equazione costitutiva in funzione del tempo - Semplici modelli meccanici: modello di Voigt e di Maxwell - Relazione di Maxwell e applicazioni – Viscoelasticità e tempi di rilassamento: meccanismo di singola molecola e ipotesi di Eyring –

Proprietà viscoelastiche di sistemi polimerici - Esperimenti stress-deformazione dipendenti dal tempo – Esperimenti transienti e periodici e grandezze complesse - Principio di sovrapposizione di Boltzmann e recupero delle deformazioni – Processi di riarrangiamento e tempi di rilassamento molecolari – Modelli semplici di risposta viscoelastica in sistemi polimerici:  "entanglement" e "reptation" -

Processi di trasporto di fluidi : Fluidi newtoniano e non newtoniani - Flusso e viscosità in liquidi complessi – Proprietà di viscoelasticità in fluidi complessi - Moti laminari e moti turbolenti - Viscosità e flusso - Fluidi viscosi pseudoplastici - fluidi dilatanti - Equazioni empiriche di flussi di scorrimento - Fluidi viscoplastici e fluidi di Bingham –

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 di sistemi vetrosi - 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.

Transizioni di fase in sistemi molecolari condensati –

Concetti di base sulle transizioni di fase – Transizioni di miscibilità in sistemi liquidi: Energia libera di mescolamento, curvatura della funzione energia libera e separazioni di fase – Sistemi stabili e metastabili - Parametro di Flory - Interfacce tra fasi e tensione interfacciale - Meccanismi di separazione di fase: processi di decomposizione spinodale - Processi di nucleazione omogenea ed eterogenea –

Transizioni di fase liquido-solido – Processi di sotto-raffreddamento e solidificazione – Transizioni di fase liquido-cristallo – Processi e meccanismi  di nucleazione omogenea ed eterogenea in transizioni liquido-solido – Cinetiche, barriere di energia e raggi critici di nucleazione – Stabilità di fronti di separazione di fase -

Elementi di base di calcolo delle probabilità –

Eventi casuali, insiemi di prove e probabilità– Eventi reciprocamente escludentisi ed eventi equiprobabili - Relative probabilità – Eventi dipendenti e indipendenti e probabilità condizionate – Distribuzione binomiale -

Variabili aleatorie discrete e continue e funzioni di densità di probabilità – Valor medio di variabili e funzioni di variabili aleatorie – Proprietà del valor medio e dispersioni di probabilità – Distribuzioni di Poisson e di Gauss –

Elementi di Termodinamica statistica

Oggetto della Termodinamica Statistica – Descrizione statistica di sistemi di N particelle – Particelle distinguibili e indistinguibili – Microstati e macrostati di un insieme di particelle distinguibili – Funzione W e calcolo del numero di Microstati di un sistema di particelle distinguibili – Distribuzione di Boltzmann in un sistema di particelle distinguibili - Valore massimo di ln W e metodo dei moltiplicatori di Lagrange - Valore massimo di ln W e proprietà del parametro b - Forma esplicita e significato fisico del parametro b -

Funzione di partizione di un sistema - Forma statistica delle funzioni Energia Interna, energia libera ed Entropia - Funzione di partizione di singola particella Z_sp - Funzione di partizione Z_N per un sistema di N particelle distinguibili - Z_sp e Z_N per sistemi di particelle distinguibili ed indistinguibili - Funzione di partizione Z_sp per un sistema di oscillatori armonici - Funzione di partizione Z_sp e dipendenza da T -

Parti 1 e 2 : capitoli da “Soft Condensed Matter, R.A.L.Jones, Oxford University Press, UK, 2011

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

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 ed esperimenti. La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.

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

Ruolo della temperature nella determinazione della stabilità di sistemi defasanti.

Definizione e nozioni semplici di probabilità di variabili aleatorie