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L'energia dei sistemi chimici
Ilaria Lanzoni
Created on March 7, 2025
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Transcript
L'energia dei sistemi chimici
Sistema Ambiente Universo
- La scienza che si occupa di tutti i possibili trasferimenti di energia che interessano la materia è la termodinamica.
- La termochimica, invece, è il settore della termodinamica che studia gli scambi di calore che avvengono durante una reazione chimica.
Non scambiano con l'ambiente nè energia nè materia.
Isolati
Scambiano con l'ambiente solo energia ma non materia.
Chiusi
Scambiano con l'ambiente esterno sia materia sia energia.
Aperti
I sistemi possono essere:
di un corpo è l'energia potenziale immagazzinata nei legami chimici che uniscono le sue particelle. (legami intramolecolari e intermolecolari). Così come varia l'energia potenziale gravitazionale di un corpo se si modifica la dua distanza dal centro della Terra.
di un corpo è la somma dell'energia cinetica di tutte le sue particelle (atomi, molecole, ioni).
Energia termica
Energia chimica
è l'energia che un oggetto possiede grazie al suo movimento
è l'energia che un oggetto ha grazie alla sua posizione.
Energia cinetica
Energia potenziale
Tutte le forme di energia possono essere ricondotte a:
Nel caso di un sistema isolato, le due forme si possono convertire tra loro ma il totale rimane sempre costante.
Energia interna (U)
di un corpo è l'energia potenziale immagazzinata nei legami chimici che uniscono le sue particelle
di un corpo è la somma dell'energia cinetica di tutte le sue particelle (atomi, molecole, ioni).
Energia termica
Energia chimica
Simbolo: V
Volume
E' l'energia meccanica scambiata tra il sistema e l'ambiente.
Simbolo: L o W
Lavoro
Simbolo: Q
E' l'energia termica scambiata (liberata o assorbita) tra il sistema e l'ambiente, per la loro diversa temperatura.
Calore
E' la capacità di un corpo di compiere un lavoro o di trasferire calore.
Energia
Per convenzione si attribuisce segno negativo (-Q) alla quantità di calore liberata dal sistema e segno positivo (+Q) alla quantità di calore assorbita dal sistema.
Simbolo: Q
E' l'energia termica scambiata (liberata o assorbita) tra il sistema e l'ambiente, per la loro diversa temperatura.
Calore
Reazione endotermica
Reazione esotermica
Nella maggior parte delle reazioni chimiche si verifica uno scambio di calore tra sistema e ambiente. Questo prende il nome di calore di reazione (Q).
Una reazione chimica è un processo in cui una o più sostanza reagenti (A e B) modificano la loro composizione chimica, trasformandosi in un una o più sostanze diverse, i prodotti (C e D). Il numero degli atomi dei prodotti è uguale a quello dei reagenti, ma la combinazione e la posizione degli atomi nei prodotti sono diverse da quelle dei reagenti. Di conseguenza si ha una variazione dell'energia potenziale e quindi dell'energia chimica del sistema. Quando in una reazione chimica i legami che si formano nei prodotti (C e D) contengono una minore quantità di energia chimica di quella presente nei legami dei reagenti (A e B), l'energia chimica eccedente nei reagenti si trasforma in energia termica che viene ceduta dal sistema all'ambiente sottoforma di calore Q. La reazione è esotermica.
Quando in una reazione chimica i legami che si formano nei prodotti (C e D) contengono una maggiore quantità di energia chimica di quella dei reagenti (A e B), l'energia termica eccedente nei reagenti si trasforma in energia chimica. La temperatura diminuisce e il sistema ssorbe energia termica dall'ambiente. La reazione è endotermica.
-L
Per convenzione si attribuisce segno negativo (-L) al lavoro compiuto dal sistema sull'ambiente e segno positivo (+L) al lavoro compiuto dall'ambiente sul sistema.
E' l'energia meccanica scambiata tra il sistema e l'ambiente.
Simbolo: L o W
Lavoro
Volume costante
Pressione costante
L'energia può essere trasferita sottoforma di calore o lavoro.
-L
Nella maggior parte dei sistemi chimici, lo scambio di lavoro con l'ambiente avviene attraverso variazioni di volume del sistema stesso. Per convenzione la variazione di volume ha segno positivo nel caso di un'espansione, negativo se si ha una contrazione.
Simbolo: V
Volume
Matematico tedesco Rudolf Clausius - 1865
Primo principio della termodinamica
L'energia può essere trasferita in una forma o in un'altra ma non può essere nè creata nè distrutta.
La variazione di entalpia spiega quanto calore viene scambiato in una reazione a pressione costante.
cioè dipende solo dagli stati iniziale e finale del sistema e non dal "percorso" seguito per arrivare dallo stato iniziale a quello finale.
Entalpia
La maggior parte delle reazioni avviene in recipienti aperti e quindi a pressione atmosferica (1 atm). La funzione di stato che consente di seguire le variazioni energetiche a pressione costante è l'entalpia (H) e si misura in joule (J). La variazione di entalpia di un sistema chimico è uguale al calore Q scambiato tra sistema e ambiente a pressione costante.
E' uguale al calore ceduto o assorbito a pressione costante.
Nelle reazioni esotermiche l'entalpia dei reagenti è maggiore di quella dei prodotti e quindi il sistema cede calore all'ambiente: il valore di entalpia è negativo.
Nelle reazioni endotermiche l'entalpia dei reagenti è minore di quella dei prodotti e quindi il sistema assorbe calore all'ambiente: il valore di entalpia è positivo.
- Una reazione si definisce spontanea quando si verifica senza interventi dall'esterno.
- Secondo principio della termodinamica: qualsiasi processo evolve spontaneamente nella direzione che implica un aumento del disordine.
- L'entropia (S) è il grado di disordine di un sistema.
- L'entropia di un sistema isolato tende ad aumentare durante una trasformazione spontanea.
Entropia
T = temperatura assoluta espressa in Kelvin (K).
Josiah Willard Gibbs (1839-1903)
E' una grandezza fisica che mettendo in relazione la variazione di entalpia e la variazione di entropia, fornisce un'indicazione della spontaneità di una reazione.
Energia libera
Il fatto che una reazione non sia spontanea non significa che non possa avvenire ma può avvenire se viene somministrata energia dall'esterno.
Per energia libera si intende energia (in più/utile) che può compiere un lavoro.
- Se la variazione di energia libera è negativa, cioè se diminuisce, la reazione è spontanea.
- Se la variazione di energia libera è positiva, cioè se aumenta, la reazione non è spontanea.