Termodinamica

1) Quale è lo scopo della termodinamica:

Essa studia sistemi macroscopici utilizzando variabili macroscopiche al fine di determinare se il sistema è in equilibrio e se non lo è, verso quale equilibrio tende.

 

2) Da cosa è definito lo stato di un sistema:

Dal valore delle proprietà macroscopiche che possono essere estensive se dipendono dalla q.ta totale di materia presente (massa , volume) o intensive se ne sono indipendenti (densità, pressione).

 

3) Cosa è una funzione di stato:

È una variabile termodinamica che assume un valore unico e ben determinato quando il sistema si trova in un determinato stato.

 

4) Quando un sistema è chiuso:

Quando non sono possibili scambi di materia con la ambiente.

 

5) Quando un sistema è isolato:

Quando non sono possibili scambi di energia con la ambiente.

 

6) Quando un processo è reversibile:

Quando si fa sì che il valore di una certa variabile che caratterizza il sistema in un dato istante differisca solo di una quantità infinitesima dal valore della stessa variabile nell´istante successivo in tal modo il processo è un susseguirsi di stati di equilibrio termodinamico.

 

7) Quando un processo è irreversibile:

Quando il valore di una variabile che caratterizza il sistema in un certo istante differisce di una quantità finita dal valore della stessa variabile nell´istante successivo.

 

8) Quando una trasformazione è spontanea:

È una trasformazione che ha luogo senza che sia necessario l´intervento di forze esterne. Tutte le trasformazioni spontanee sono irreversibili.

 

9) Cosa è e come è definito il calore:

È una forma di energia che si trasmette tra 2 punti di un sistema che si trovino a 2 temperature diverse. L´unità di misura è la caloria, ossia la quantità di calore necessaria per aumentare la temperatura di un grammo d´acqua da 14,5 a 15,5°C.

 

10) Cosa è la temperatura:

È un indice della attitudine di un corpo a cedere calore ad un altro corpo o a riceverne.

 

11) Cosa è l´energia:

È la capacità di produrre lavoro, ne esistono di diversi tipi, ed uno di questi è il calore il quale forse è il meno nobile in quanto difficilmente ritrasformabile nella forma di energia che lo ha generato

 

12) Descrivere il lavoro meccanico, quello di espansione e l´unità di misura per quest´ultimo ?

Il lavoro meccanico è il prodotto della forza per lo spostamento, per i gas si preferisce parlare del lavoro di espansione

L = P_ressione * DV_olume  . Si misura in litri-atmosfera.

 

13) 1 litro atmosfera = x      Joule     :

                1 litro atmosfera = 101.33 Joule         ?

 

14) 1 litro atmosfera = x      cal         :

                1 litro atmosfera = 24.2       cal           ?

 

15) 1 cal                      = x      Joule   :

                1 Cal                    = 4,184  Joule          ?

 

16) Descrivere il lavoro elettrico e la unità con cui viene espresso:

È il prodotto della carica elettrica per la differenza di potenziale. L´unità di misura è il Joule.

 

17) Che convenzione si utilizza per il segno del lavoro :

Il lavoro è positivo se è fatto dal sistema mentre è negativo se è fatto dalla ambiente sul sistema.

 

18) Che convenzione si utilizza per il segno del calore:

Il calore è positivo se è assorbito dal sistema mentre è negativo se è ceduto dal sistema alla ambiente.

 

19) Enunciare il 1° principio della termodinamica:

L´energia non può essere creata ne distrutta ma solo trasformata. In formule DU = Q - L .

Una formulazione che ne è una diretta conseguenza è che l´energia interna di un sistema isolato è costante.

 

20) Cosa è l´energia interna U:

È una variabile estensiva propria che dipende dalle caratteristiche interne del sistema quali ad esempio le energie cinetiche legate al moto degli elettroni, la si può alterare solo cambiando lo stato del sistema ad esempio passando dallo stato solido a quello liquido nel qual caso la variazione di energia interna è pari alla differenza tra l´energia necessaria per formare i legami dei prodotti e quella necessaria per rompere i legami dei reagenti.

In base al 1° principio della termodinamica essa è una funzione di stato e la sua variazione

DU = calore Q - lavoro L

dipende solo dallo stato iniziale e finale.

 

21) Che tipi di trasformazioni sono possibili che rispettino DU = calore Q - lavoro L :

Adiabatiche, isocore, isobare.

 

22) Quando un processo è detto adiabatico:

Quando non c´è scambio di calore tra il sistema e la ambiente , in tal caso DU = -L .

 

23) Quando una trasformazione è isocora:

Quando avviene a volume costante. Da notare che per una reazione chimica il lavoro è di espansione il quale è proporzionale alla variazione di volume, se la reazione avviene a volume costante Þ il lavoro è nullo Þ DU = Q .

 

24) Quando una trasformazione è isobara:

Quando avviene a pressione costante, il calore scambiato a pressione costante è Q = DU + PDV .

 

25) Cosa è l´entalpia H di un sistema:

L´entalpia è stretta parente della energia interna ed in pratica ne rappresenta giusto una correzione per spiegare il lavoro che i gas compiono in una reazione chimica nei confronti della pressione esterna. L´entalpia si differenzia dall´energia di qualche punto percentuale.

È definita dalla relazione H = U + PV . nel caso che la trasformazione sia isobara, la variazione di pressione è nulla e quindi DH = Q ossia l´entalpia corrisponde al calore scambiato a pressione costante. Essa è una funzione di stato.

 

26) Fare un esempio di reazione che avviene a pressione costante:

Ogni reazione che avviene alla aria aperta dove la pressione al livello del mare risulta pari ad 1 atm.

 

27) Che cosa è la termochimica:

È una scienza che studia gli scambi di calore associati alle reazioni chimiche.

 

28) Quando una trasformazione è esotermica:

Quando il sistema sviluppa calore che cede alla ambiente, si pensi alla combustione del metano.

 

29) Quando una trasformazione è endotermica:

Quando il sistema assorbe calore dalla ambiente , si pensi al passaggio da ghiaccio ad acqua.

 

30) Quando una trasformazione è termoneutrale:

Quando non è accompagnata da effetti termici misurabili.

 

31) Per cosa stà il simbolo H che individua l´entalpia :

Esso stà per Heat, calore in quanto per le reazioni a pressione costante la variazione di calore si identifica con la variazione di entalpia. Si pensi ad H ed O che formano la acqua, la acqua presenta una energia interna che è sicuramente inferiore alla energia dei 2 gas dove è elevata l´energia cinetica, il che si traduce nel fatto che questo processo dovrà necessariamente cedere energia alla ambiente e lo farà sotto forma di calore e pertanto la variazione di entalpia sarà negativa in quanto il calore intrinseco del sistema sarà ceduto alla ambiente, la reazione sarà esotermica.

 

32) Cosa è l´entalpia standard DH° , quale è la unità di misura e cosa indica :

È la variazione di entalpia DH° riferita ad 1 mole quando sia i reagenti che i prodotti sono nelle condizioni di riferimento.

Se la reazione è esotermica allora DH° = Q è negativa essendo Q ceduto quindi negativo.

Se la reazione è endotermica allora DH° = Q è positiva essendo Q assorbito quindi positivo.

Si misura in Kcal / mole ed indica il calore assorbito o ceduto dal processo.

 

33) Perchè in termochimica si utilizza prettamente DH invece piuttosto che DU :

Perchè DU corrisponde alla variazione di calore per le reazioni a volume costante mentre DH corrisponde alla variazione di calore per le reazioni a pressione costante, e visto che quasi tutte le reazioni chimiche avvengono a pressione atmosferica la quale è costante, DH è la funzione di stato interessata.

 

34) Cosa è l´entalpia standard di combustione DH_c° :

È la variazione di entalpia standard associata alla reazione di combustione di una mole di composto considerato in eccesso di ossigeno gassoso in seguito alla quale il C e l´H contenuti nella sostanza danno origine a CO₂ e H₂O.

Rappresenta quindi quanto calore si libera a seguito della combustione di una mole del composto.

 

35) Quanto vale l´entalpia standard di combustione DH_c°  del C₂H₄ :

Reazione combustione :     C₂H₄   +   3 O₂    ®    2 CO₂      +  2 H₂O

pertanto in base alla legge di Hess :       DH°_f (C₂H₄)   =    2H°_f (CO₂) + 2H°_f (H₂O) - H°_f (C₂H₄)

Si ricordi che H°_f (O₂) = 0 per definizione, cosiccome per tutti gli elementi singoli e non allo stato di composto.

 

36) Se conosci il DH° associato alla combustione di una miscela ed i DH°_C associato alle combustioni dei singoli elementi della miscela, come sono legati i tre valori :

- DH° (miscela)   =    DH°_c (comp_1) * ( n°moli comp_1)      +       DH°_c (comp_1) * ( n°moli comp_2)

si moltiplica per le moli in quanto DH è una funzione di stato estensiva, che dipende cioà dalla quantità di materia.

 

37) Cosa è l´entalpia molare standard di formazione H_f° :

È la variazione di entalpia standard che accompagna la formazione di 1 mole del composto (nel suo stato standard) a partire dagli elementi che lo compongono, anche essi nel loro stato standard.

 

38) Quanto vale l´entalpia molare standard di formazione H_f° per tutti i singoli elementi :

Vale 0 per convenzione, ciò consente misure relative di entalpie di un sistema.

 

39) Cosa è la tonalità termica di una reazione e da cosa è influenzata:

È il calore liberato o fornito a pressione costante ed equivale alla variazione di entalpia H. Essa è legata alla quantità di materia considerata, alle condizioni fisiche ed allo stato di aggregazione di reagenti e prodotti. Per uniformarla, come massa ci si riferisce sempre ad una mole mentre come condizioni fisiche si sceglie 25°C ed 1 atmosfera, come stato di aggregazione, infine, si sceglie quello in cui la sostanza è più stabile in queste condizioni.

 

40) Enunciare la legge di Hess :

La tonalità termica di una reazione dipende solo dallo stato iniziale e finale dei reagenti e dei prodotti, mentre è indipendente dal numero dei processi intermedi e dall´ordine con il quale sono realizzati. Questa legge consente di di calcolare algebricamente quei calori di reazione non calcolabili sperimentalmente.

 

41) Enunciare la conseguenza della legge di Hess che insieme al concetto di calore di combustione consente il calcolo            della entalpia standard di formazione H_f° di una sostanza :

La variazione di entalpia standard di una reazione, DH° è pari alla somma delle entalpie standard di formazione, H_f°, dei prodotti di reazione, meno la somma delle entalpie standard di formazione, H_f°, dei reagenti. Tutti i valori di H_f° devono essere moltiplicati per il coefficiente stechiometrico con cui la sostanza relativa compare nella reazione.

Per la reazione                                     aA + bB                 ®           cC + dD

DH°                        =                             c H_f°(C) + d H_f°(D) - a H_f°(A) - b H_f°(B)

 

42) Cosa è l´energia di dissociazione:

È la variazione di entalpia standard della reazione che porta alla rottura del legame in questione, indica quindi quanta energia occorre impiegare per rompere il legame che tiene uniti gli atomi della sostanza.

 

43) Cosa è l´energia media di legame:

Se una molecola contiene n legami tutti uguali, l´energia media di legame è la variazione di entalpia standard della reazione associata alla rottura di tutti i legami divisa per il numero di questi legami. Essa è caratteristica di un dato legame indipendentemente dalla particolare molecola considerata e per questo esistono delle tabelle con questi valori per i legami più comuni. Spesso questi composti sono più stabili di quanto calcolato teoricamente.

 

44) Cosa è l´energia di risonanza:

È la differenza tra il valore sperimentale della entalpia standard di formazione H_f° ed il valore calcolato delle energie medie di legame. Accade nelle strutture come i composti aromatici dove ci sono legami doppi o tripli stabilizzati per risonanza.

 

45) La rottura di un legame comporta una variazione DH° positiva o negativa :

Comporta una variazione positiva in quanto occorre fornire calore alle sostanze affichè gli elettroni si portino sugli strati più esterni e possano così essere rotti i legami che tengono insieme la molecola.

 

46) Cosa è l´entropia S di un sistema e quale è la sua unità di misura:

È una funzione di stato definita per un sistema chiuso nel quale avvenga una trasformazione a temperatura costante, scambiando con la ambiente il calore Q.

Se la trasformazione è reversibile Þ Þ il sistema è in equilibrio infatti una trasformazione reversibile può                                                                                         essere pensata come una successione indefinita di stati di equilibrio.

Se la trasformazione è irreversibile Þ  Þ il sistema è sede di una trasformazione spontanea.

Se inoltre il sistema è anche isolato, allora Q = 0 , quindi :

DS = 0  Þ              sistema in equilibrio

DS > 0  Þ              il sistema è sede di una trasformazione spontanea.

Si misura in calorie / K altrimenti chiamata unità entropica.

 

47) Perchè si dice che l´entropia è la freccia del tempo:

Perchè possiamo distinguere tra due istantanee scattate in istanti diverso e riguardanti lo stesso fenomeno e dedurre quale sia stata scattata prima semplicemente sulla base che in essa vi deve essere minor disordine.

 

48) Enunciare il 3° principio della termodinamica:

L´entropia di un solido cristallino puro  S° è nulla alla temperatura dello zero assoluto.  Questo principio consente di calcolare la entropia di un sistema ad una qualunque temperatura ed osservare che essa dipende dalla complessità della molecola e nelle reazioni chimiche aumenta se aumenta il n° di moli di sostanze allo stato gassoso.

Questo stà ad identificare che a 0 K esiste un solo modo per tenere uniti gli atomi in un reticolo cristallino, pertanto lo stato di ordine è massimo, con la aumentare della temperatura aumenta il disordine.

 

49) A quali caratteristiche della sostanza in questione è legata l´entropia molare:

l´entropia cresce con la complessità della molecola quindi per il diamante che è più simmetrico rispetto alla grafite, l´entropia è inferiore.

Inoltre l´entropia cresce nei passaggi                             solido ® liquido ® gas.

 

50) Quali sono i criteri che individuano definitivamente la spontaneità di una trasformazione:

a)            Ogni sistema tende a raggiungere un contenuto minimo di energia.

b)            L´entropia del sistema e quindi il grado di disordine aumenta.

 

51) Definire l´energia libera G e l´equazione di Gibbs - Helmotz :

Essa nasce con il desiderio di individuare una funzione matematica che realmente sia in grado di identificare se un processo sia spontaneo o meno, per far ciò essa deve conglobare i significati di entropia e di entalpia, ed essendo necessaria una parità dimensionale occorre moltiplicare l´entropia per la temperatura.

Essa è definita dalla relazione G = H - TS , e la sua variazione a temperatura costante DG = DH - T*DS individua un criterio per stabilire la spontaneità e l´equilibrio delle reazioni isoterme ed isobare ed è una misura del lavoro utile da queste fornito.

 

52) Perchè viene definita energia libera:

Perchè essa è l´energia che realmente noi abbiamo a disposizione in quanto corrisponde alla energia termica totale privata della energia spesa per produrre ordine.

 

53) Criteri di equilibrio e di spontaneità in funzione della energia libera DG :

Se la trasformazione è isoterma ed isobara :

Se la trasformazione è spontanea                     Þ          DG =    DH - T*DS   < 0

Se la trasformazione è in equilibrio                  Þ          DG =    DH - T*DS   = 0

Se la trasformazione non è spontanea            Þ          DG =    DH - T*DS   > 0

 

54) Quando una reazione è spontanea e quindi DG < 0 :

Dalla DG =    DH - T*DS

a) Se la trasformazione è esotermica (DH < 0) .

b) Se la trasformazione è esotermica ma l´entropia diminuisce

c) Se la trasformazione è endotermica ma l´entropia aumenta.

È dunque chiaro che la spontaneità di una reazione è legata al dominio o meno del termine entropico su quello entalpico

 

55) Nella DG = DH - T*DS che unità ha il prodotto T*DS e conseguentemente che unità deve avere DH :

T*DS si esprime automaticamente in calorie, in tale unità deve essere anche espressa DH.

 

56) Enunciare la relazione che lega il lavoro utile e l´energia libera :

DG = -(L - P*DV) = - Lutile nel caso di una trasformazione isobara ed isoterma. Se la trasformazione avviene in modo reversibile il lavoro utile è massimo.

 

57) Cosa è l´energia libera molare standard di formazione G_f° :

È la variazione di energia libera DG che si verifica nella formazione di una mole di composto, nel suo stato standard, a partire dagli elementi, anche essi nei rispettivi stati standard.

 

58) Quanto vale l´energia libera di una mole di una qualunque sostanza alla temperatura T :

G = G_f°  +  R * T * ln a                        dove R =1.99 cal / (mole*K)

dove a è la attività della sostanza corrispondente alla concentrazione ideale.

per i gas ideali a = pressione

per i gas non ideali a = f * p              dove f è il coefficiente di attività

per solidi e liquidi puri la attività è unitaria.

per una soluzione ideale a = concentrazione.

per una soluzione non ideale a = f * c             dove f è il coefficiente di attività.

Si osservi che è riferita ad una mole e pertanto se sono interessate più  moli, occorre moltiplicare G per il loro numero.

 

59) Come si può ricavare il valore della tensione di vapore del liquido in equilibrio con il solido:

Si impone che DG = 0 in quanto la reazione deve essere in equilibrio, dopodichè si calcola DG° da alcuni parametri del problema e tenendo conto che per solidi e liquidi G = G° si estrapola P dalla G = G_f°  +  R * T * ln a.