Termodinamica Chimica EnergiaEnergia Universita degli Studi dellInsubria Corsi di Laurea in Scienze Chimiche e Chimica Industriale [email protected]

Termodinamica Termodinamica ChimicaChimica

EnergiaEnergiaEnergiaEnergia

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

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© Dario Bressanini 2

Principi di ConservazionePrincipi di Conservazione

Molte leggi naturali sono espresse sotto forma di Molte leggi naturali sono espresse sotto forma di principio di conservazioneprincipio di conservazione

Alcuni di questi principi erano già noti agli Alcuni di questi principi erano già noti agli scienziati del ‘700scienziati del ‘700 Conservazione del momento o quantità di motoConservazione del momento o quantità di moto Conservazione del momento angolareConservazione del momento angolare Conservazione dell’energia (in alcuni casi EConservazione dell’energia (in alcuni casi Epotpot+E+Ekinkin= =

Costante)Costante)La meccanica Newtoniana prevede La meccanica Newtoniana prevede che per i sistemi che per i sistemi conservativiconservativi l’energia totale, somma dell’energia l’energia totale, somma dell’energia potenziale e dell’energia cinetica, potenziale e dell’energia cinetica, rimanga costanterimanga costante

E’ un principio generale?E’ un principio generale?


Conservazione del Momento AngolareConservazione del Momento Angolare

costante prLcostante prL






Conservazione del Momento LineareConservazione del Momento Lineare

In un urto elastico, il momento totale si conservaIn un urto elastico, il momento totale si conservaIn un urto elastico, il momento totale si conservaIn un urto elastico, il momento totale si conserva

costante vmpcostante vmp


QuizQuiz

Cosa succede alle monete dopo l’urto?Cosa succede alle monete dopo l’urto?


Altri Principi di ConservazioneAltri Principi di Conservazione

Ora conosciamo altri principi di Ora conosciamo altri principi di conservazioneconservazione MassaMassa Carica ElettricaCarica Elettrica Parita’Parita’ Invarianza temporaleInvarianza temporale Numero Barionico Numero Barionico Coniugazione di CaricaConiugazione di Carica … …ee altri altri ancora piu’ ancora piu’ esotericiesoterici

La Chimica e’ fondata sui principi di La Chimica e’ fondata sui principi di

conservazione della conservazione della MassaMassa e dell’ e dell’EnergiaEnergia


La MateriaLa Materia

Nel 17Nel 17momo secolo vi era ancora molta secolo vi era ancora molta confusione su cosa fosse la confusione su cosa fosse la MateriaMateria

Georg Ernst Stahl(1659-1734)

Johann BecherJohann Becher e e Georg StahlGeorg Stahl, , medici tedeschi professori medici tedeschi professori universitari, fondarono la teoria del universitari, fondarono la teoria del Flogisto (dal greco ‘Flogisto (dal greco ‘bruciarebruciare’)’)

Simbolo del Flogisto


Il FlogistoIl Flogisto

La materia e’ costituita da due componenti: il La materia e’ costituita da due componenti: il FlogistoFlogisto e la e la CenereCenere

Bruciando, il flogisto si libera nell’aria, lasciando Bruciando, il flogisto si libera nell’aria, lasciando solamente la ceneresolamente la cenere

L’aria “Flogistificata” non riesce piu’ a supportare L’aria “Flogistificata” non riesce piu’ a supportare la combusionela combusione


La Teoria del FlogistoLa Teoria del Flogisto

Fatti spiegati dalla teoria del FlogistoFatti spiegati dalla teoria del Flogisto I combustibili perdono peso bruciando, perche’ perdono I combustibili perdono peso bruciando, perche’ perdono

flogisto.flogisto. La combustione cessa quando tutto il flogisto e’ fuoriuscito La combustione cessa quando tutto il flogisto e’ fuoriuscito

dalla sostanza e ha saturato l’ariadalla sostanza e ha saturato l’aria Il carbone lascia pochissimo residuo perche’ e’ flogisto quasi Il carbone lascia pochissimo residuo perche’ e’ flogisto quasi

puropuro Un topolino muore se chiuso in un ambiente sigillato perche’ Un topolino muore se chiuso in un ambiente sigillato perche’

l’aria si satura di flogistol’aria si satura di flogisto Alcune ‘calci metalliche’, scaldate con carbone si Alcune ‘calci metalliche’, scaldate con carbone si

ritrasformano in metallo perche’ il carbone cede il flogistoritrasformano in metallo perche’ il carbone cede il flogisto


Problemi della Teoria del Problemi della Teoria del FlogistoFlogisto

Tuttavia, alcune sostanze Tuttavia, alcune sostanze aumentano di peso dopo essere aumentano di peso dopo essere state bruciate (il magnesio ad state bruciate (il magnesio ad esempio)! esempio)!

Oggi noi sappiamo che la Oggi noi sappiamo che la combustione è dovuta al processo combustione è dovuta al processo di ossidazione.di ossidazione.

Joseph Priestly scopre l’ossigeno Joseph Priestly scopre l’ossigeno nel 1774, ma non crede alla teoria nel 1774, ma non crede alla teoria dell’ossidazione. Chiama dell’ossidazione. Chiama l’ossigeno l’ossigeno aria deflogistificataaria deflogistificata

Joseph Priestly

Noi ora sappiamo che l’ossigeno si combina Noi ora sappiamo che l’ossigeno si combina con il materiale formando l’ossidocon il materiale formando l’ossido


Conservazione della MassaConservazione della Massa

Antoine Lavoisier Antoine Lavoisier mostra come la mostra come la combustione non e’ combustione non e’ una perdita di flogisto, una perdita di flogisto, ma una reazione ma una reazione chimica con l’ossigeno.chimica con l’ossigeno.

Enuncia il principio di Enuncia il principio di conservazione della conservazione della massa: massa: La Materia non La Materia non viene nè creata nè viene nè creata nè distrutta, ma cambia distrutta, ma cambia solamente formasolamente formaAntoine-Laurent Lavoisier

(1743-1794) e sua moglie


Conservazione della massaConservazione della massa

La Materia e’ composta da Atomi che non possono essere nè creati nè distruttiLa Materia e’ composta da Atomi che non possono essere nè creati nè distrutti

John Dalton

(1766-1844)


‘‘Spiegazioni’ di altri FenomeniSpiegazioni’ di altri Fenomeni

L’L’elettricità è generata dal flusso di due elettricità è generata dal flusso di due

fluidi, chiamati ‘fluidi, chiamati ‘vetrosovetroso’ e ‘’ e ‘resinosoresinoso’’

Il magnetismo è generato dal flusso di due Il magnetismo è generato dal flusso di due

altri fluidi, chiamati ‘altri fluidi, chiamati ‘australeaustrale’ e ‘’ e ‘borealeboreale’’

Il Calore invece era il flusso di un singolo Il Calore invece era il flusso di un singolo

fluido, chiamato ‘fluido, chiamato ‘caloricocalorico’’


Le Nuove Forme di EnergiaLe Nuove Forme di Energia

Nel diciottesimo secolo, il Nel diciottesimo secolo, il medico italiano medico italiano Luigi GalvaniLuigi Galvani (1737-1798) scoprì che un (1737-1798) scoprì che un conduttore bimetallico conduttore bimetallico caricato elettricamente caricato elettricamente poteva far muovere le zampe poteva far muovere le zampe di rane morte.di rane morte.

SSi pensò che l’elettricità i pensò che l’elettricità scorresse dentro ogni essere scorresse dentro ogni essere vivente.vivente.

Il romanzo Il romanzo FrankensteinFrankenstein, di , di Mary Shelley (1797-1851) Mary Shelley (1797-1851) e’ e’ basato subasato su quest queste teoriee teorie

http://www.unibo.it/avl/storia/galvani.htm



nel 1791, Galvani attribuì ai tessuti nel 1791, Galvani attribuì ai tessuti animali la capacità di produrre animali la capacità di produrre elettricità.elettricità.

Alessandro Volta (1745-1827), fisico Alessandro Volta (1745-1827), fisico comasco, riconobbe che “l’effetto comasco, riconobbe che “l’effetto Galvanico”, il movimento delle Galvanico”, il movimento delle zampette di rana, era da ricondurre al zampette di rana, era da ricondurre al passaggio della corrente nei tessuti passaggio della corrente nei tessuti animali, incapaci di produrre elettricità.animali, incapaci di produrre elettricità.

Nel 1800, Volta costruì la prima pila, Nel 1800, Volta costruì la prima pila, denominata denominata voltaicavoltaica in suo onore. in suo onore. Quest’apparato era in grado di produrre Quest’apparato era in grado di produrre chimicamentechimicamente corrente elettrica. corrente elettrica.



Michael Faraday (1791-1867) Michael Faraday (1791-1867) scopri’ che scopri’ che il il

passaggio di elettricità in una soluzione poteva passaggio di elettricità in una soluzione poteva

indurre delle reazioni chimicheindurre delle reazioni chimiche

Hans Christian Ørsted Hans Christian Ørsted (1777-1851)(1777-1851) scopri’ che l scopri’ che la a

corrente elettrica poteva generare un campo corrente elettrica poteva generare un campo

magnetico. magnetico.

Thomas Seebek Thomas Seebek osservo’ che osservo’ che anche il calore anche il calore

potepotevava venire convertito in elettricità, venire convertito in elettricità,

scoprendo scoprendo l’l’effetto termoelettricoeffetto termoelettrico


L’EnergiaL’Energia

Tutti questi fenomeni mostravano Tutti questi fenomeni mostravano chiaramente come elettricità, magnetismo, chiaramente come elettricità, magnetismo, calore e reazioni chimiche erano calore e reazioni chimiche erano strettamente correlatistrettamente correlati

Poteva Poteva il principio della conservazione della il principio della conservazione della somma di energia cinetica e potenziale,somma di energia cinetica e potenziale, valere anche per altre forme di energia?valere anche per altre forme di energia?

Cominciò a poco a poco a farsi strada l’idea Cominciò a poco a poco a farsi strada l’idea che la moltitudine di fenomeni osservati che la moltitudine di fenomeni osservati potevano essere visti come la potevano essere visti come la trasformazione di un’unica entità che trasformazione di un’unica entità che cambiava solamente forma: l’cambiava solamente forma: l’EnergiaEnergia


La Natura del CaloreLa Natura del Calore

Per lungo tempo Per lungo tempo CaloreCalore e e TemperaturaTemperatura furono confusifurono confusi

Ora noi sappiamo che il calore è una forma Ora noi sappiamo che il calore è una forma di energia, dovuta all’incessante di energia, dovuta all’incessante movimento degli atomi e delle molecole di movimento degli atomi e delle molecole di cui sono composti i vari oggetti. Essendo cui sono composti i vari oggetti. Essendo una particolare forma di energia, non ci una particolare forma di energia, non ci deve sorprendere che non si conservi, così deve sorprendere che non si conservi, così come non si conservano altre forme di come non si conservano altre forme di energia.energia.


La Natura del CaloreLa Natura del Calore

L’idea che il calore e il lavoro fossero L’idea che il calore e il lavoro fossero interconvertibili si sviluppò piano piano nel interconvertibili si sviluppò piano piano nel corso dei secoli, ma con un cammino ben lungi corso dei secoli, ma con un cammino ben lungi dall’essere lineare e semplice come spesso dall’essere lineare e semplice come spesso viene presentato sui libri di testo.viene presentato sui libri di testo.

Accostate le vostre mani leggermente e Accostate le vostre mani leggermente e sfregatele lentamente, senza troppo vigore. sfregatele lentamente, senza troppo vigore. Non succede nulla. Provate ora a premerle una Non succede nulla. Provate ora a premerle una contro l’altra con forza e sfregarle contro l’altra con forza e sfregarle vigorosamente. Immediatamente le mani si vigorosamente. Immediatamente le mani si scaldano. scaldano. Da dove arriva il Calore?Da dove arriva il Calore?


Sir Francis BaconSir Francis Bacon e il Calore e il Calore

Nel 1620 Nel 1620 Bacon Bacon ebbe ebbe l’intuizione che il calore era l’intuizione che il calore era nient’altro che “nient’altro che “movimentomovimento, , rapida e vigorosa agitazione rapida e vigorosa agitazione delle particelle di cui è delle particelle di cui è composta la materiacomposta la materia “ “

Mori’ di bronchite Mori’ di bronchite sperimentandosperimentando l’idea che il l’idea che il freddo freddo potessepotesse prevenire la prevenire la putrefazione della carne e putrefazione della carne e permetterne la sua permetterne la sua conservazione. conservazione.

La sua teoria del calore venne La sua teoria del calore venne dimenticatadimenticata

Francis Bacon (1561-1626) (1561-1626)NNato nel 1561 da una ato nel 1561 da una potente famiglia alla corte potente famiglia alla corte della Regina Elisabetta I di della Regina Elisabetta I di InghilterraInghilterra..

http://www.knuten.liu.se/~bjoch509/philosophers/bac.html


La Teoria del CaloricoLa Teoria del Calorico l’opinione prevalente l’opinione prevalente ((Lavoisier, Fourier, LaplaceLavoisier, Fourier, Laplace e e

PoissonPoisson)), era che il calore fosse una sorta di fluido , era che il calore fosse una sorta di fluido misterioso, il misterioso, il caloricocalorico,, che fluiva in ogni sostanza e che fluiva in ogni sostanza e spontaneamente passava da un corpo caldo ad un spontaneamente passava da un corpo caldo ad un corpo freddo.corpo freddo.

La La teoria del caloricoteoria del calorico assegnava a questo fluido assegnava a questo fluido strane proprietà. Prima di tutto non aveva peso: strane proprietà. Prima di tutto non aveva peso: scaldare un etto di ferro non portava ad un aumento scaldare un etto di ferro non portava ad un aumento del suo peso; però occupava spazio. I corpi, infatti, del suo peso; però occupava spazio. I corpi, infatti, aumentavano di volume se riscaldati.aumentavano di volume se riscaldati.

Nonostante i numerosi tentativi, il calorico sfuggiva Nonostante i numerosi tentativi, il calorico sfuggiva ad ogni sforzo per essere isolato e investigato ad ogni sforzo per essere isolato e investigato direttamente. Pian piano aumentava l’evidenza direttamente. Pian piano aumentava l’evidenza sperimentale e teorica che la teoria del calorico sperimentale e teorica che la teoria del calorico fossefosse errata. errata.


La Teoria del CaloricoLa Teoria del Calorico

I corpi caldi contengono piu’ calorico del corpi I corpi caldi contengono piu’ calorico del corpi freddifreddi

Mettendo a contatto un corpo caldo con un corpo Mettendo a contatto un corpo caldo con un corpo freddo, il calorico fluisce dal corpo caldo a quello freddo, il calorico fluisce dal corpo caldo a quello freddofreddo


La Teoria del CaloricoLa Teoria del Calorico

Benjamin Thompson, Conte Benjamin Thompson, Conte Rumford, supervisionava la Rumford, supervisionava la fabbricazione di cannoni.fabbricazione di cannoni.

Il corpo di un cannone veniva Il corpo di un cannone veniva fabbricato a partire da un fabbricato a partire da un cilindro di metallo, in cui cilindro di metallo, in cui veniva prodotto veniva prodotto meccanicamente un foro del meccanicamente un foro del diametro desiderato.diametro desiderato.

L’attrito meccanico generava L’attrito meccanico generava moltissimo calore.moltissimo calore.

Benjamin ThompsonBenjamin Thompson(1754-1814) (1754-1814) nato nella colonia del nato nella colonia del MassachusettsMassachusetts. Trasferitosi . Trasferitosi in Europa, lavorò al in Europa, lavorò al servizio servizio del Duca di Baviera. Fu del Duca di Baviera. Fu nominato “Conte del Sacro nominato “Conte del Sacro Romano Impero”, e scelse Romano Impero”, e scelse di chiamarsi “Conte di chiamarsi “Conte Rumford”Rumford”


Il Conte RumfordIl Conte Rumford

Thompson immerse un blocco metallico in acqua, e dimostrò Thompson immerse un blocco metallico in acqua, e dimostrò che era necessaria la stessa quantità di calore per innalzare che era necessaria la stessa quantità di calore per innalzare di un grado la polvere metallica generata, oppure un blocco di un grado la polvere metallica generata, oppure un blocco di metallo dello stesso peso. La polvere metallica non era di metallo dello stesso peso. La polvere metallica non era meno capace di immagazzinare calore rispetto al pezzo di meno capace di immagazzinare calore rispetto al pezzo di metallo non polverizzato. Il calore prodotto proveniva metallo non polverizzato. Il calore prodotto proveniva semplicemente dal lavoro meccanico compiuto per forare il semplicemente dal lavoro meccanico compiuto per forare il cannone. cannone.

La teoria del calorico sostenenva La teoria del calorico sostenenva che, la polvere di metallo poteva che, la polvere di metallo poteva “contenere” meno calorico del “contenere” meno calorico del blocco di metallo originale. blocco di metallo originale. Durante la lavorazione del Durante la lavorazione del cannone, il calorico non poteva cannone, il calorico non poteva più essere immagazzinato nella più essere immagazzinato nella polvere metallica, e veniva polvere metallica, e veniva disperso sotto forma di calore.disperso sotto forma di calore.


Il CaloricoIl Calorico

Il calore quindi Il calore quindi non era una sostanzanon era una sostanza. . Le idee sbagliate però sono dure a morire, Le idee sbagliate però sono dure a morire,

e la teoria del calorico sopravvisse ancora e la teoria del calorico sopravvisse ancora un poco.un poco.

Ancora oggi, nel linguaggio comune, sono Ancora oggi, nel linguaggio comune, sono presenti dei “resti linguistici” di quella presenti dei “resti linguistici” di quella teoria. Parliamo infatti di calore che “entra” teoria. Parliamo infatti di calore che “entra” ed “esce” dai corpi, o dalle finestre aperte. ed “esce” dai corpi, o dalle finestre aperte. L’uso della L’uso della caloriacaloria (cal) come unità di (cal) come unità di energia è una vestigia di quel passato. energia è una vestigia di quel passato.


James James Prescott Prescott JouleJoule

Il riconoscimento e l’enunciazione del principio Il riconoscimento e l’enunciazione del principio universale della conservazione dell’energia è universale della conservazione dell’energia è dovuto principalmente a James Prescott Joules dovuto principalmente a James Prescott Joules (1818-1889), birraio e appassionato di scienza.(1818-1889), birraio e appassionato di scienza.

In suo onore oggi usiamo il In suo onore oggi usiamo il joulejoule come unità di misura del lavoro e come unità di misura del lavoro e dell’energia del dell’energia del SSistema istema IInternazionale (SI). Tuttavia in alcuni nternazionale (SI). Tuttavia in alcuni campi sono ancora utilizzate le campi sono ancora utilizzate le caloriecalorie, ad esempio nelle etichette , ad esempio nelle etichette dei cibi, (dei cibi, (in realtà Kilocaloriein realtà Kilocalorie).).


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


Joules e la Conservazione Joules e la Conservazione dell’Energiadell’Energia

““I fenomeni della natura, siano essi meccanici, chimici I fenomeni della natura, siano essi meccanici, chimici o vitali o vitali (biologici)(biologici), consistono quasi interamente nella , consistono quasi interamente nella continua conversione di attrazione nello spazio continua conversione di attrazione nello spazio (energia potenziale)(energia potenziale), forza vitale , forza vitale (energia cinetica)(energia cinetica) e calore, e calore, uno nell’altro. Questo uno nell’altro. Questo èè il modo in cui l’ordine viene il modo in cui l’ordine viene mantenuto nell’universo: nulla è sbilanciato, nulla mantenuto nell’universo: nulla è sbilanciato, nulla viene perso, ma l’intero meccanismo, per quanto viene perso, ma l’intero meccanismo, per quanto complicato, lavora incessantemente e complicato, lavora incessantemente e armoniosamente. E sebbene, come nella terribile armoniosamente. E sebbene, come nella terribile profezia di Ezechiele, “ruote potranno incastrarsi in profezia di Ezechiele, “ruote potranno incastrarsi in altre ruote”, e ogni cosa possa apparire complicata e altre ruote”, e ogni cosa possa apparire complicata e implicato nell’apparente confusione e nella varietà implicato nell’apparente confusione e nella varietà quasi senza fine di cause, effetti, conversioni e quasi senza fine di cause, effetti, conversioni e arrangiamenti, tuttavia la più perfetta regolarità viene arrangiamenti, tuttavia la più perfetta regolarità viene preservata. Il tutto governato dal volere superiore di preservata. Il tutto governato dal volere superiore di Dio”Dio”


Il Principio di Conservazione Il Principio di Conservazione dell’Energiadell’Energia

Julius Robert von Mayer (1814-1878)

Julius Robert von Mayer fu il primo Julius Robert von Mayer fu il primo a enunciare esplicitamente il a enunciare esplicitamente il principio di conservazione principio di conservazione dell’energiadell’energia

Le varie forme di energia Le varie forme di energia (Chimica, Elettrica, (Chimica, Elettrica, Magnetica, Meccanica, Magnetica, Meccanica, Calore) si possono Calore) si possono trasformare una nell’altra, trasformare una nell’altra, ma l’energia totale rimane ma l’energia totale rimane costantecostante

Le varie forme di energia Le varie forme di energia (Chimica, Elettrica, (Chimica, Elettrica, Magnetica, Meccanica, Magnetica, Meccanica, Calore) si possono Calore) si possono trasformare una nell’altra, trasformare una nell’altra, ma l’energia totale rimane ma l’energia totale rimane costantecostante


Massa-EnergiaMassa-Energia

Oggi i due principi fondamentali di Oggi i due principi fondamentali di conservazione sono stati riuniti in un unico conservazione sono stati riuniti in un unico principio: la conservazione della principio: la conservazione della massa-massa-energiaenergia

EE = = mcmc22EE = = mcmc22

Albert EinsteinAlbert Einstein (1879-1955)(1879-1955)

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