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giulia-franceschini
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Termodinamica Termodinamica ChimicaChimica
CaloreCaloreCaloreCalore
Universita’ degli Studi dell’Insubria Universita’ degli Studi dell’Insubria Corsi di Laurea in Scienze Corsi di Laurea in Scienze
Chimiche e Chimica IndustrialeChimiche e Chimica Industriale
[email protected]://scienze-como.uninsubria.it/bressanini
© Dario Bressanini 2
La La TemperaturaTemperatura riflette il riflette il movimento movimento casualecasuale delle particelle, ed è quindi delle particelle, ed è quindi correlata all’energia cinetica delle correlata all’energia cinetica delle molecolemolecole
IlIl Calore Calore coinvolge un coinvolge un trasferimento di trasferimento di energiaenergia tra due oggetti a temperatura tra due oggetti a temperatura differentedifferente
Calore e TemperaturaCalore e Temperatura
© Dario Bressanini 3
Il Calore fluisce da un corpo caldo ad uno freddo fino Il Calore fluisce da un corpo caldo ad uno freddo fino a quando non raggiungono la stessa temperaturaa quando non raggiungono la stessa temperaturaIl Calore fluisce da un corpo caldo ad uno freddo fino Il Calore fluisce da un corpo caldo ad uno freddo fino a quando non raggiungono la stessa temperaturaa quando non raggiungono la stessa temperatura
Flusso di CaloreFlusso di Calore
© Dario Bressanini
Flusso di Calore ed Equilibrio Flusso di Calore ed Equilibrio TermicoTermico
Quando un corpo Quando un corpo caldo viene messo a caldo viene messo a contatto con un corpo contatto con un corpo freddo, del calore freddo, del calore fluisce dal corpo caldo fluisce dal corpo caldo verso quello freddo, verso quello freddo, aumentando la sua aumentando la sua energia, sino a energia, sino a raggiungere raggiungere l’equilibrio termico.l’equilibrio termico.
© Dario Bressanini 5
Un processo si diceUn processo si dice
EsotermicoEsotermico: se il calore viene emesso : se il calore viene emesso daldal
sistema verso l’ambientesistema verso l’ambiente
EndotermicoEndotermico: se il calore viene assorbito : se il calore viene assorbito
daldal sistema ed emesso dall’ambiente sistema ed emesso dall’ambiente
Calore ScambiatoCalore Scambiato
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Un sistema può scambiare energia con Un sistema può scambiare energia con l’ambiente mediantel’ambiente mediante CaloreCalore scambiato scambiato
LavoroLavoro eseguito eseguito (dal sistema o dall’ambiente)(dal sistema o dall’ambiente)
Scaldando un corpo, aumentiamo la sua Scaldando un corpo, aumentiamo la sua capacita’ di compiere lavoro e quindi capacita’ di compiere lavoro e quindi aumentiamo la sua energiaaumentiamo la sua energia
Anche compiendo lavoro sul sistema Anche compiendo lavoro sul sistema aumentiamo la sua energia, ad esempio aumentiamo la sua energia, ad esempio comprimendo un gas o tirando una molla.comprimendo un gas o tirando una molla.
Energia, Lavoro e CaloreEnergia, Lavoro e Calore
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Calore e LavoroCalore e Lavoro
Joule mostrò come il Lavoro e il Calore Joule mostrò come il Lavoro e il Calore fossero convertibili l’uno nell’altrofossero convertibili l’uno nell’altro
Dopo aver variato l’Energia Dopo aver variato l’Energia di un sistema, questo non di un sistema, questo non ““ricordaricorda” se è stato eseguito ” se è stato eseguito del lavoro o se è stato del lavoro o se è stato scambiato del calorescambiato del calore
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L’Esperimento di JouleL’Esperimento di Joule
Joules provò l’equivalenza Joules provò l’equivalenza tra calore e lavoro tra calore e lavoro meccanicomeccanico
Il lavoro eseguito per far Il lavoro eseguito per far ruotare le pale, causa un ruotare le pale, causa un aumento della aumento della temperatura dell’acquatemperatura dell’acqua
Joules mostrò anche che la quantità di calore Joules mostrò anche che la quantità di calore prodotto era proporzionale alla quantità di prodotto era proporzionale alla quantità di lavorolavoro
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Simbolo: Simbolo: ww
Il Lavoro e’ energia Il Lavoro e’ energia ‘‘ordinataordinata’ che puo’ ’ che puo’ essere utilizzata per essere utilizzata per sollevare un peso sollevare un peso nell’Ambientenell’Ambiente
NonNon puo’ essere puo’ essere immagazzinata come immagazzinata come Lavoro. Esiste Lavoro. Esiste SOLAMENTESOLAMENTE durante il durante il processo in cui viene processo in cui viene eseguito il lavoro.eseguito il lavoro.
Lavoro: Energia in Lavoro: Energia in TTransitoransito
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Simbolo: Simbolo: qq
Il Calore e’ energia ‘Il Calore e’ energia ‘disordinatadisordinata’ ’ che viene trasferita tra sistema che viene trasferita tra sistema e ambiente per ristabilire e ambiente per ristabilire l’equilibrio termico.l’equilibrio termico.
NONNON puo’ essere puo’ essere immagazzinato come Calore. immagazzinato come Calore. Esiste Esiste SOLAMENTESOLAMENTE durante il durante il processo in cui viene processo in cui viene scambiato.scambiato.
Calore: Energia per giungere all’EquilibrioCalore: Energia per giungere all’Equilibrio
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Non si puo’ parlare di Non si puo’ parlare di CaloreCalore ContenutoContenuto in un corpo!! in un corpo!!
Solo di Solo di EnergiaEnergia contenuta contenuta
Calore Contenuto???Calore Contenuto???
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Convenzione del SegnoConvenzione del Segno
Per convenzione, Lavoro e Calore sono Per convenzione, Lavoro e Calore sono negativinegativi se diminuiscono l’energia del se diminuiscono l’energia del sistema, sistema, positivipositivi se l’aumentano se l’aumentano
LavoroLavoro > 0 se e’ > 0 se e’ fatto sul sistemafatto sul sistema < 0 se e’ < 0 se e’ fatto dal sistemafatto dal sistema
CaloreCalore > 0 se e’ > 0 se e’ assorbito dal sistemaassorbito dal sistema < 0 se e’ < 0 se e’ emesso dal sistemaemesso dal sistema
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Conversione di Lavoro in CaloreConversione di Lavoro in Calore
Temperatura di una palla da tennis prima e dopo l’urtoTemperatura di una palla da tennis prima e dopo l’urto
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Il Il LavoroLavoro non è una funzione di stato, e non è una funzione di stato, e dipende dal cammino.dipende dal cammino.
Essendo il Essendo il LavoroLavoro e il e il CaloreCalore equivalenti in equivalenti in Termodinamica, neanche il Termodinamica, neanche il CaloreCalore è una è una funzione di statofunzione di stato
Il Il CaloreCalore è una particolare è una particolare formaforma di energia di energia e quindi non sorprende che non sia una e quindi non sorprende che non sia una funzione di stato.funzione di stato.
Calore e Lavoro non si Calore e Lavoro non si ConservanoConservano
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Energia InternaEnergia Interna
Se Calore e Lavoro non esistono al di fuori del Se Calore e Lavoro non esistono al di fuori del processo in cui vengono trasferiti, cosa diventano?processo in cui vengono trasferiti, cosa diventano?
LL’’evidenza sperimentale evidenza sperimentale portava a concludere che portava a concludere che ogni corpo potesse ogni corpo potesse immagazzinareimmagazzinare l’energia l’energia internamente, senza trasformarla in energia cinetica internamente, senza trasformarla in energia cinetica totale del corpo ponendolo in movimento.totale del corpo ponendolo in movimento.
La La Termodinamica Termodinamica postula l’esistenza di una funzione postula l’esistenza di una funzione UU chiamata chiamata Energia InternaEnergia Interna
Non era chiaro cosa fosse l’Energia InternaNon era chiaro cosa fosse l’Energia Interna, e si , e si dovette aspettare la meccanica quantistica per dovette aspettare la meccanica quantistica per capirlo.capirlo.
E’ la somma dell’Energia E’ la somma dell’Energia CineticaCinetica e e PotenzialePotenziale Molecolare Molecolare (Energia traslazionale, rotazionale, vibrazionale,(Energia traslazionale, rotazionale, vibrazionale,…)…)
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Energia InternaEnergia Interna
L’energia Interna L’energia Interna PUO’PUO’ venire venire immagazzinataimmagazzinata
Esiste una UEsiste una Uii prima del processo e una U prima del processo e una Uff
dopo il processo. Esiste quindi un dopo il processo. Esiste quindi un U = UU = Uff - -
UUii
U e’ una funzione di statoU e’ una funzione di stato U U si comporta come una “banca”. si comporta come una “banca”.
Eseguendo lavoro sul sistema, U Eseguendo lavoro sul sistema, U immagazzina una quantità equivalente di immagazzina una quantità equivalente di energia. Questa poi può essere ceduta energia. Questa poi può essere ceduta sotto forma di lavoro, o di calore o in altro sotto forma di lavoro, o di calore o in altro modomodo
© Dario Bressanini
UU = = qq + + ww
Prima Legge della Prima Legge della TermodinamicaTermodinamica
Nonostante il Calore e il Lavoro non Nonostante il Calore e il Lavoro non siano delle funzioni siano delle funzioni ddi stato, i stato, sperimentalmentesperimentalmente si osserva che la si osserva che la loro somma è una variazione di una loro somma è una variazione di una funzione di stato chiamata funzione di stato chiamata Energia Energia InternaInterna
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Il Primo principio della Termodinamica Il Primo principio della Termodinamica racchiude più osservazioni sperimentaliracchiude più osservazioni sperimentali Calore e Lavoro sono equivalentiCalore e Lavoro sono equivalenti
Esiste una funzione di stato chiamata Esiste una funzione di stato chiamata UU che che rappresenta l’energia “interna” del sistemarappresenta l’energia “interna” del sistema
Se il sistema è isolato, Se il sistema è isolato, qq = = ww = 0 = 0, per cui , per cui UU = = 00: : l’energia si conserval’energia si conserva
Notate che non scriviamo Notate che non scriviamo q o q o ww
U = q + wU = q + w
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CorollarioCorollario
L’Energia L’Energia dell’Universo è dell’Universo è
costantecostante
L’Energia L’Energia dell’Universo è dell’Universo è
costantecostante
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Il Primo Principio in Forma Il Primo Principio in Forma DifferenzialeDifferenziale
Abbiamo gia’ visto come spesso sia utile Abbiamo gia’ visto come spesso sia utile considerare dei cambiamenti infinitesimi su considerare dei cambiamenti infinitesimi su un sistema, invece di cambiamenti finitiun sistema, invece di cambiamenti finiti
Il primo principioIl primo principio U = q + wU = q + w in in forma differenziale diventaforma differenziale diventa
ddU = U = ddq + q + ddww
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Energia InternaEnergia Interna
L’Energia interna U e’ una funzione di L’Energia interna U e’ una funzione di Stato. La termodinamica ci assicura che Stato. La termodinamica ci assicura che DEVEDEVE essere esprimibile in funzione delle essere esprimibile in funzione delle altre variabili termodinamichealtre variabili termodinamiche
U = U(p,V,T)U = U(p,V,T)
L’equazione di stato che lega L’equazione di stato che lega pp, , VV e e TT non non fornisce alcuna informazione su fornisce alcuna informazione su UU, che , che deve quindi essere ricavata deve quindi essere ricavata separatamente.separatamente.
Due gas possono seguire la legge dei gas Due gas possono seguire la legge dei gas ideali, ma avere un comportamento di ideali, ma avere un comportamento di UU diversodiverso
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U per un Gas Ideale U per un Gas Ideale MonoatomicoMonoatomico
Dalla teoria cinetica dei Gas, abbiamo Dalla teoria cinetica dei Gas, abbiamo ottenuto che per un gas ideale ottenuto che per un gas ideale monoatomicomonoatomico
nRTUTU2
3)0()( nRTUTU2
3)0()(
Lo Zero delle energie e’ imprecisato, ma Lo Zero delle energie e’ imprecisato, ma non ha importanza in Termodinamica, non ha importanza in Termodinamica, poiche’ interessano solo le variazioni di poiche’ interessano solo le variazioni di EnergiaEnergia
Dipende Dipende SOLOSOLO da da TT, non da , non da VV o o pp
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Processo AdiabaticoProcesso Adiabatico
U = q + wU = q + w In un processo adiabatico, q = 0, e quindi w In un processo adiabatico, q = 0, e quindi w
= = U U
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Isotermo Reversibile: Isotermo Reversibile: T = costanteT = costante
w = nRTln(Vw = nRTln(Vff/V/Vii))
Isobaro: Isobaro: p = costantep = costante
w = pw = pVV
Adiabatico: Adiabatico: q = 0q = 0 pVpV = costante = costante
w = w = UU
Isocoro: Isocoro: V = costanteV = costante
w = 0w = 0
Lavoro per un Gas IdealeLavoro per un Gas Ideale
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Processi Termodinamici ComuniProcessi Termodinamici Comuni
1:Isobaro 2:Isotermo 3:Adiabatico 4:Isocoro1:Isobaro 2:Isotermo 3:Adiabatico 4:Isocoro