In breve: La termodinamica studia gli scambi di energia. Le funzioni di stato spiegano perché un sistema raggiunge l'equilibrio.
Introduzione semplice
In laboratorio osserviamo molte trasformazioni. Una sostanza si scioglie, un liquido evapora, due reagenti si combinano.
Tutte queste trasformazioni coinvolgono energia. La termodinamica ci aiuta a prevedere se un processo avverrà spontaneamente.
Alcune grandezze dipendono solo dallo stato iniziale e finale. Si chiamano funzioni di stato e sono lo strumento chiave del nostro studio.
Spiegazione principale
Le principali funzioni di stato sono entalpia (H), entropia (S) ed energia libera (G). Ognuna descrive un aspetto diverso del sistema.
L'entalpia misura il calore scambiato a pressione costante. Una reazione esotermica rilascia calore e ha variazione di entalpia negativa.
L'entropia indica il grado di disordine del sistema. Quando un solido fonde, il disordine delle particelle aumenta.
L'energia libera di Gibbs unisce entalpia ed entropia. Il suo segno ci dice se un processo è spontaneo in date condizioni.
Quando l'energia libera non varia più, il sistema è all'equilibrio. Questo vale sia per equilibri fisici sia per equilibri chimici.
Un equilibrio fisico è ad esempio il passaggio acqua-vapore. Un equilibrio chimico riguarda invece reagenti e prodotti di una reazione reversibile.
Esempi / come si fa
Pensa a un bicchiere d'acqua chiuso ermeticamente. Una parte evapora, una parte ricondensa: si raggiunge un equilibrio dinamico.
Nel laboratorio scolastico osservi la dissoluzione di un sale. Se la soluzione diventa satura, esiste equilibrio tra sale solido e ioni disciolti.
Per prevedere la spontaneità calcoliamo la variazione di energia libera. Usiamo la relazione tra variazione di entalpia, temperatura e variazione di entropia.
Se il risultato è negativo, il processo avviene da sinistra verso destra. Se è positivo, il processo procede nel verso opposto.
All'equilibrio la variazione di energia libera è uguale a zero. Le concentrazioni di reagenti e prodotti restano costanti nel tempo.
Parole difficili
- Funzione di stato: grandezza che dipende solo dallo stato iniziale e finale.
- Entalpia: calore scambiato dal sistema a pressione costante.
- Entropia: misura del disordine delle particelle in un sistema.
- Energia libera di Gibbs: grandezza che indica la spontaneità di un processo.
- Equilibrio dinamico: stato in cui due processi opposti avvengono alla stessa velocità.
- Processo spontaneo: trasformazione che avviene senza apporto continuo di energia esterna.
Riferimenti
- Norma: Riordino degli istituti tecnici
- Obiettivo formativo coperto: ob.tecnico-chimica-materiali-biotecnologie.chimica-analitica-e-strumentale.cl3.termodinamica-equilibri.01