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antonietta-gagliardi
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TermodinamicTermodinamica Chimicaa Chimica
[email protected]://scienze-como.uninsubria.it/bressanini
Principi e DefinizioniPrincipi e Definizioni
Universita’ degli Studi dell’Insubria Universita’ degli Studi dell’Insubria
© Dario Bressanini2
Realta’ e ModelliRealta’ e Modelli La realta’ e’ spesso troppo La realta’ e’ spesso troppo complessacomplessa per poter essere per poter essere
studiata in modo semplice, preciso e accurato.studiata in modo semplice, preciso e accurato.
Gli scienziati ricorrono a delle Gli scienziati ricorrono a delle semplificazionisemplificazioni, a volte , a volte
drastiche, in modo pero’ da mantenere sempre le drastiche, in modo pero’ da mantenere sempre le
caratteristiche salienti del fenomeno da studiarecaratteristiche salienti del fenomeno da studiare
Una teoria scientifica deve essere la più semplice possibile... ma non troppo semplice (A. Einstein)
Si usano dei Si usano dei ModelliModelli
© Dario Bressanini3
Modelli ?Modelli ?
© Dario Bressanini4
ModelliModelli
Un modello e’ una Un modello e’ una costruzione teoricacostruzione teorica che cerca di che cerca di
catturare, piu’ o meno fedelmente, uno o piu’ aspetti di catturare, piu’ o meno fedelmente, uno o piu’ aspetti di
un fenomenoun fenomeno
Un modello semplifica, diminuisce la Un modello semplifica, diminuisce la complessitacomplessita’ di ’ di
un fenomeno, aiuta a capire, ma approssimaun fenomeno, aiuta a capire, ma approssima
Scegliere un modello “Scegliere un modello “correttocorretto” è difficile.” è difficile.
© Dario Bressanini5
Complessita’Complessita’
© Dario Bressanini6
AstrazioneAstrazione
L’astrazione e’ una L’astrazione e’ una semplificazionesemplificazione conscia di qualche conscia di qualche
aspetto di un fenomeno o di un problema, che ci permette aspetto di un fenomeno o di un problema, che ci permette
di concentrarsi di concentrarsi sugli aspetti salientisugli aspetti salienti e e non sui dettaglinon sui dettagli Una rappresentazione di qualche cosaUna rappresentazione di qualche cosa Spesso meno dettagliata dell’originaleSpesso meno dettagliata dell’originale Nasconde o elimina informazione poco o non rilevanteNasconde o elimina informazione poco o non rilevante Puo’ essere difficile da capire senza una adeguato allenamentoPuo’ essere difficile da capire senza una adeguato allenamento
Il colore di un missile e’ irrilevante per Il colore di un missile e’ irrilevante per calcolare la sua traiettoriacalcolare la sua traiettoria
© Dario Bressanini7
AstrazioneAstrazione
© Dario Bressanini8
Pensare per ModelliPensare per Modelli
René MagritteRené Magritte
© Dario Bressanini9
Modelli in ChimicaModelli in Chimica
© Dario Bressanini10
Sistema, Ambiente e Sistema, Ambiente e UniversoUniverso
Nello studio di un fenomeno, si cerca di isolare la Nello studio di un fenomeno, si cerca di isolare la
‘zona di spazio’ dove avviene il fenomeno da quello ‘zona di spazio’ dove avviene il fenomeno da quello
che la circonda.che la circonda.
UniversUniversoo
SistemaSistema
Ambiente
SISTEMASISTEMA
++
AMBIENTEAMBIENTE
==
UNIVERSOUNIVERSO
© Dario Bressanini11
Sistema e AmbienteSistema e Ambiente
ProvettaProvetta - Laboratorio- Laboratorio Branco di leoni Branco di leoni - Savana- Savana Atmosfera terrestre Atmosfera terrestre - Superficie terrestre + - Superficie terrestre +
spaziospazio Cellula Cellula - Cellule circostanti- Cellule circostanti Economia Italiana Economia Italiana - Economie del resto del mondo- Economie del resto del mondo
SistemaSistema AmbienteAmbiente
La divisione è abbastanza arbitraria.La divisione è abbastanza arbitraria.
Dipende dall’accuratezza desiderata del modello.Dipende dall’accuratezza desiderata del modello.
© Dario Bressanini12
Sistemi in ChimicaSistemi in Chimica Vari tipi di sistemi utilizzati in Chimica:Vari tipi di sistemi utilizzati in Chimica:
IsolatoIsolato ChiusoChiuso ApertoAperto
© Dario Bressanini13
Sistemi in ChimicaSistemi in Chimica
In un sistema adiabatico non vi e’ scambio di caloreIn un sistema adiabatico non vi e’ scambio di calore
© Dario Bressanini14
Astrazione e ModelliAstrazione e Modelli Il sole è, in prima approssimazione, un recipiente Il sole è, in prima approssimazione, un recipiente
pienopieno di un di un Gas IdealeGas Ideale..
Un cavallo da corsa è, in prima approssimazione, una Un cavallo da corsa è, in prima approssimazione, una
sfera.sfera.
Un bicchiere d’acqua (liquida) Un bicchiere d’acqua (liquida) NONNON è, neanche in è, neanche in
prima approssimazione, assimilabile ad un gas.prima approssimazione, assimilabile ad un gas.
Si devono trascurare i dettagli insignificanti, Si devono trascurare i dettagli insignificanti,
o trascurabili... ma solo quelli.o trascurabili... ma solo quelli.
Un modello Un modello È NECESSARIOÈ NECESSARIO!!!!!!
© Dario Bressanini15
Astrazione e ModelliAstrazione e Modelli I modelli possono essere miglioratiI modelli possono essere migliorati
Gas Solare Gas Solare Gas + Fotoni + Elettroni Gas + Fotoni + Elettroni
L’astrazione e la costruzione del modello permette L’astrazione e la costruzione del modello permette
alla alla matematicamatematica di agire (in modo quasi meccanico e di agire (in modo quasi meccanico e
automatico ... se si sa come fare) per trarre le logiche automatico ... se si sa come fare) per trarre le logiche
conseguenze dalle conseguenze dalle ipotesi di partenzaipotesi di partenza. In questo . In questo
modo modo trascuriamo i dettagli insignificantitrascuriamo i dettagli insignificanti, (il colore , (il colore
del cavallo), o trascurabili, (la coda del cavallo).del cavallo), o trascurabili, (la coda del cavallo).
© Dario Bressanini16
Modelli Macroscopici e Modelli Macroscopici e MicroscopiciMicroscopici
Descriviamo il contenuto di un Descriviamo il contenuto di un
cilindro di Automobilecilindro di Automobile ComposizioneComposizione VolumeVolume PressionePressione Densita’Densita’ TemperaturaTemperatura ColoreColore Conducibilita’ termicaConducibilita’ termica ????????????
© Dario Bressanini17
Modelli MacroscopiciModelli Macroscopici Per altri sistemi le grandezze più utili possono essere Per altri sistemi le grandezze più utili possono essere
altre:altre: PilaPila: il volume è poco utile, mentre è fondamentale il : il volume è poco utile, mentre è fondamentale il
potenziale elettricopotenziale elettrico StellaStella: sono fondamentali : sono fondamentali colorecolore e e luminosita’luminosita’
Queste grandezze sono esprimibili in forma Queste grandezze sono esprimibili in forma numericanumerica, e possono quindi essere considerate , e possono quindi essere considerate delle delle coordinatecoordinate
Queste grandezze sono esprimibili in forma Queste grandezze sono esprimibili in forma numericanumerica, e possono quindi essere considerate , e possono quindi essere considerate delle delle coordinatecoordinate
Le coordinate descrivono lo stato Le coordinate descrivono lo stato internointerno del sistema del sistema
© Dario Bressanini18
Grandezze MacroscopicheGrandezze Macroscopiche
Non implicano ipotesi particolari sulla struttura della Non implicano ipotesi particolari sulla struttura della
materia (non richiedono atomi e molecole!).materia (non richiedono atomi e molecole!).
Servono “poche” grandezze per descrivere il sistema Servono “poche” grandezze per descrivere il sistema
(quante ?).(quante ?).
Le coordinate macroscopiche sono Le coordinate macroscopiche sono (più o meno)(più o meno), ,
suggerite dai nostri sensi.suggerite dai nostri sensi.
Possono essere misurate direttamente.Possono essere misurate direttamente.
© Dario Bressanini19
Modelli MicroscopiciModelli Microscopici Il sistema è composto da un numero enorme di Il sistema è composto da un numero enorme di
particelle che possono interagire fra loroparticelle che possono interagire fra loro
Il numero elevato di particelle permette di utilizzare Il numero elevato di particelle permette di utilizzare
tecniche statistiche e di ottenere valori medi tecniche statistiche e di ottenere valori medi
((termodinamica statisticatermodinamica statistica))
Concetti quali “pressione” e “temperatura” sono Concetti quali “pressione” e “temperatura” sono
PRIVI DI SENSOPRIVI DI SENSO a livello atomico. La termodinamica a livello atomico. La termodinamica
statistica statistica definiscedefinisce le varie grandezze macroscopiche a le varie grandezze macroscopiche a
partire da quelle microscopiche (coordinate, velocita’, partire da quelle microscopiche (coordinate, velocita’,
stati quantici)stati quantici)
© Dario Bressanini20
Grandezze MicroscopicheGrandezze Microscopiche Si Si DEVEDEVE ipotizzare l’esistenza degli atomi e molecole ipotizzare l’esistenza degli atomi e molecole
Le cordinate in gioco sono tantissime (Le cordinate in gioco sono tantissime (NN))
Le varie grandezze Le varie grandezze NONNON sono accessibili sono accessibili
nell’esperienza quotidiananell’esperienza quotidiana
Le grandezze microscopiche Le grandezze microscopiche NONNON si possono misurare si possono misurare
direttamentedirettamente
© Dario Bressanini21
Microscopico - MacroscopicoMicroscopico - Macroscopico
1 mole = 6.023 101 mole = 6.023 102323 particelle particelle
602,300,000,000,000,000,000,000602,300,000,000,000,000,000,000
Per descrivere completamente 1 litro di acqua, dovrei Per descrivere completamente 1 litro di acqua, dovrei
specificare le coordinate e le velocita’ di ogni specificare le coordinate e le velocita’ di ogni
molecola (6 coordinate per particella)molecola (6 coordinate per particella)
Tuttavia, 1 litro di acqua Tuttavia, 1 litro di acqua all’equilibrioall’equilibrio, puo’ essere , puo’ essere
descritta semplicemente specificando la descritta semplicemente specificando la pressionepressione, la , la
temperaturatemperatura..
© Dario Bressanini22
Termodinamica Classica e Termodinamica Classica e StatisticaStatistica
Meccanica QuantisticaMeccanica Quantistica
Meccanica StatisticaMeccanica Statistica
Termodinamica ClassicaTermodinamica Classica
La Meccanica Quantisticapermette di calcolare I livellienergetici di Atomi e Molecole
Calcola proprieta’ specifichedelle varie sostanze
Relazioni Generali tra variabilitermodinamiche macroscopiche
1 Kg1 Kg
© Dario Bressanini23
Termodinamica Classica e Termodinamica Classica e StatisticaStatistica
TermodinamicaTermodinamica StatisticaStatistica: approccio : approccio MicroscopicoMicroscopico
Ha bisogno dei livelli energetici del sistemaHa bisogno dei livelli energetici del sistema
TermodinamicaTermodinamica ClassicaClassica: approccio : approccio MacroscopicoMacroscopico
Ha bisogno dei dati Ha bisogno dei dati calcolaticalcolati dalla Termodinamica dalla Termodinamica
Statistica, o di dati Statistica, o di dati sperimentalisperimentali
© Dario Bressanini24
1-16 Grandezze Intensive ed Grandezze Intensive ed EstensiveEstensive
Proprieta’ che dipendono dalla quantita’ di materia Proprieta’ che dipendono dalla quantita’ di materia
sono chiamate sono chiamate EstensiveEstensive
Proprieta’ indipendenti dalla quantita’ di materia sono Proprieta’ indipendenti dalla quantita’ di materia sono
chiamate chiamate IntensiveIntensive
mmVVTTppEEρρ
mm/2/2VV/2/2TTpp
E/2E/2ρρ
mm/2/2VV/2/2TTpp
E/2E/2ρρ