La termodinamica è una branca della fisica che studia il comportamento dei sistemi fisici sottoposti a trasformazioni di energia termica. Si basa su due leggi fondamentali che descrivono le proprietà dell'energia termica e il modo in cui essa viene trasferita da un corpo a un altro.
La prima legge della termodinamica afferma che l'energia non può essere creata o distrutta, ma solo trasformata da una forma all'altra. In altre parole, l'energia totale di un sistema è costante.
La seconda legge della termodinamica afferma che il processo di trasferimento di calore da un corpo a un altro avviene sempre dal corpo a temperatura più elevata verso il corpo a temperatura più bassa. In altre parole, il calore non può essere trasferito spontaneamente da un corpo freddo a un corpo caldo.
La termodinamica è importante perché ci aiuta a comprendere il comportamento dei sistemi fisici sottoposti a trasformazioni di energia termica, come il funzionamento di motori termici, il comportamento di gas e liquidi, e il trasferimento di calore in edifici e altri sistemi di riscaldamento. Inoltre, ci aiuta a comprendere il comportamento dei sistemi termodinamici nei processi di equilibrio termico, come l'equilibrio termico tra due corpi a diverse temperature.
a. Le unità di misura sono le unità utilizzate per misurare una grandezza fisica. Esse sono definiti dalle convenzioni internazionali e formano un sistema di misura in grado di soddisfare le esigenze della vita quotidiana. Le unità di misura sono suddivise in due categorie: le unità fondamentali, che non possono essere scomposte in altre unità e le unità derivate, che possono essere ricavate da una o più unità fondamentali.
b. Le principali unità fondamentali sono il metro (m) per le misure di lunghezza, il chilogrammo (kg) per le misure di massa, il secondo (s) per le misure di tempo e il grado Celsius (°C) per le misure di temperatura. Le principali unità derivate sono il litro (l) per le misure di volume, la candela (cd) per le misure di luce, il newton (N)
c. Temperatura: è una misura della quantità di calore presente in un ambiente. Può variare da molto freddo, come in una stanza con aria condizionata, a molto caldo, come in una stanza con un riscaldatore. La temperatura può essere misurata utilizzando un termometro.
d. Pressione: è una forza che si esercita su un'area. In fisica, la pressione è definita come la forza applicata su un'area divisa per l'area stessa. La pressione è una grandezza vettoriale in quanto ha una direzione e una magnitudine. La pressione esercitata su un corpo è inversamente proporzionale all'area su cui si applica. La pressione può essere misurata in unità di pressione, come ad esempio Pascal (Pa) o Bar (bar).
e. Le equazioni chimiche
Sono rappresentazioni utilizzate per descrivere reazioni chimiche. Identificano le sostanze chimiche coinvolte nella reazione e la loro relazione, mostrando quali sostanze sono coinvolte nella reazione e quali sostanze vengono prodotte. Di solito, una equazione chimica è scritta in forma simbolica, in cui le sostanze chimiche sono rappresentate da simboli chimici e le frecce indicano la direzione della reazione. Le equazioni chimiche possono anche essere scritte come equazioni balanceate, dove i coefficienti sono utilizzati per indicare le proporzioni in cui le sostanze sono coinvolte nella reazione.
f. La stechiometria
E' una branca della chimica che studia le reazioni chimiche attraverso l'analisi delle quantità relative di reagenti e prodotti coinvolti. Si basa sulla legge di proporzionalità di Lavoisier, secondo cui le quantità totali delle materie in gioco in una reazione chimica rimangono costanti. Si utilizza per calcolare il numero di molecole, atomi, ioni, molecola di reagenti e di prodotti coinvolti in una reazione chimica, e per prevedere quali composti possono formarsi come prodotti.
Gli stati della materia sono le diverse forme in cui la materia può essere presente. Gli stati della materia più comuni sono solido, liquido e gassoso. Un solido ha una forma definita, un liquido assume la forma del suo recipiente e un gas si diffonde liberamente nello spazio. Altri stati meno comuni includono plasma, quark-gluone, condensato di Bose-Einstein e condensato di Fermi.
a. I gas ideali sono un modello matematico che descrive il comportamento dei gas reali. Si basano su alcuni assunti fondamentali, come l'ipotesi che le particelle che compongono un gas siano puntiformi e che non interagiscano tra loro. Inoltre, sottolineano che l'energia cinetica delle particelle non dipende dalla loro velocità e che le particelle non si scontrano tra loro. La pressione di un gas ideale è proporzionale alla temperatura assoluta, mentre il volume occupato dal gas è indipendente dalla pressione. Questi assunti rendono il modello dei gas ideali uno strumento utile per prevedere il comportamento dei gas reali.
b. La legge di van der Waals è un'estensione dell'equazione di stato dei gas perfetti con la quale si descrive il comportamento dei gas reali, gas, il cui comportamento, si discosta da quello tipico dei gas ideali. P V =n R T
L'equazione di stato dei gas ideali in cui: P = pressione ; V = volume ; n = quantità di sostanza ; T = temperatura, è valida solo per gas che hanno un comportamento che si avvicina a quello di un gas ideale.
c. La tensione di vapore è la pressione esercitata da una condensazione di vapore acqueo in equilibrio con la fase liquida. Si può determinare misurando la pressione di vapore dell'acqua a una temperatura specifica.
d. La saturazione è la concentrazione massima di vapore acqueo in equilibrio con la fase liquida, ed è espressa in percentuale o in parti per mille. La saturazione aumenta con l'aumentare della temperatura.
f. L'umidità è l'acqua presente nell'aria sotto forma di vapore acqueo. Si misura in termini di percentuale e può variare da 0% in condizioni di assenza di vapore acqueo fino a circa 100% in situazioni di saturazione. L'umidità ha una forte influenza su molti aspetti del clima, tra cui temperatura, pressione, vento e precipitazioni.
a. I bilanci di materia sono uno strumento importante per analizzare e controllare i processi chimici e industriali. In pratica, un bilancio di materia è un'equazione che esprime il principio di conservazione della massa per un sistema chiuso o aperto. In altre parole, il bilancio di materia tiene traccia di tutte le sostanze che entrano e escono dal sistema e calcola quanto di ciascuna sostanza rimane all'interno del sistema.
b. La risoluzione dei bilanci di materia per sistemi non reagenti, ovvero sistemi che non subiscono reazioni chimiche, prevede l'applicazione del principio di conservazione della massa per ogni sostanza coinvolta nel processo. In particolare, si calcola la quantità di ogni sostanza che entra e che esce dal sistema, e si confronta con la quantità di quella sostanza che rimane all'interno del sistema. Questo permette di calcolare la quantità di ogni sostanza che si accumula all'interno del sistema e quindi di valutare il rendimento del processo.
c. La risoluzione dei bilanci di materia per sistemi reagenti, ovvero sistemi che subiscono reazioni chimiche, prevede la stessa logica dei sistemi non reagenti, ma richiede anche la considerazione delle reazioni chimiche che avvengono all'interno del sistema. In particolare, si calcola la quantità di ogni reagente e di ogni prodotto che entra e che esce dal sistema, e si valuta il loro rapporto stechiometrico. Questo permette di calcolare la quantità di ogni reagente che si consuma e di ogni prodotto che si forma, nonché la quantità di ogni sostanza che si accumula all'interno del sistema.
d. La resa è un parametro che indica la quantità di prodotto ottenuta rispetto alla quantità di reagente utilizzata. La selettività, invece, indica la capacità del processo di produrre il prodotto desiderato rispetto ad altri possibili prodotti. Entrambi questi parametri possono essere calcolati attraverso la risoluzione dei bilanci di materia.
e. Il riciclo, il bypass e lo spurgo sono tecniche che vengono utilizzate per controllare la composizione del sistema e il rendimento del processo.
Il riciclo consiste nel reinserire una parte delle sostanze che escono dal sistema, al fine di aumentare la concentrazione di determinati reagenti o prodotti.
Il bypass, invece, prevede la deviazione di una parte delle sostanze prima che entrino nel sistema, al fine di controllare la composizione del sistema stesso.
Lo spurgo prevede la rimozione di una parte delle sostanze che escono dal sistema, al fine di evitare la saturazione di determinate sostanze.
a. La legge dei gas ideali o perfetti afferma che, a temperatura costante, il prodotto tra la pressione (P) e il volume (V) di un gas è proporzionale alla quantità di sostanza (n) del gas, ovvero PV = nRT, dove R è la costante universale dei gas (che dipende dall'unità di misura scelta per la pressione e il volume) e T è la temperatura assoluta.
b. Le pressioni parziali sono le pressioni esercitate da ciascuna sostanza in una miscela di gas.
La legge di Boyle afferma che, a temperatura costante, il volume di un gas è inversamente proporzionale alla sua pressione (P1V1 = P2V2).
La legge di Charles afferma che, a pressione costante, il volume di un gas è direttamente proporzionale alla sua temperatura (V1/T1 = V2/T2).
La legge di Gay-Lussac afferma che, a volume costante, la pressione di un gas è direttamente proporzionale alla sua temperatura (P1/T1 = P2/T2).
c. La legge dei gas reali di Van Der Waals tiene conto delle deviazioni dei gas reali rispetto al comportamento ideale descritto dalla legge dei gas perfetti. In particolare, la legge di Van Der Waals considera che i gas reali abbiano un volume finito e che le particelle di gas interagiscano tra loro, introducendo due costanti aggiuntive nella legge dei gas perfetti: (P + a(n/V)^2) (V - nb) = nRT, dove a e b sono le costanti di Van Der Waals, che dipendono dalla natura del gas.
d. La volatilità è la tendenza di una sostanza a passare dalla fase liquida alla fase gassosa a una determinata temperatura. La tensione di vapore è la pressione esercitata dal vapore in equilibrio con una sostanza liquida a una determinata temperatura.
L'equazione di Antoine è un'equazione empirica che descrive la relazione tra la tensione di vapore di una sostanza e la sua temperatura: log(P) = A - (B / (T + C)), dove P è la tensione di vapore in Pascal, T è la temperatura in Kelvin, e A, B e C sono costanti dipendenti dalla sostanza considerata. E' utilizzata per prevedere la tensione di vapore di una sostanza in funzione della temperatura e per calcolare le proprietà termodinamiche di un sistema contenente la sostanza.