Chimica Fisica

1. Universita’ degli Studi dell’Insubria Chimica Fisica Entropia dario.bressanini@uninsubria.ithttp://scienze-como.uninsubria.it/bressanini

2. Seconda Legge della Termodinamica L’entropia di un sistema isolato durante un processo spontaneo aumenta © Dario Bressanini

3. Entropia: Riassunto • S e’ una funzione di stato! • DStot = DSsis + DSamb • SeDStote’ positivo il processo e’ spontaneo • Se DStote’ negativo, il processo e’ spontaneo nella direzione opposta. In un processo spontaneo, l’Entropia dell’universo aumenta sempre © Dario Bressanini

4. Entropia per processi spontanei • Per processi spontaneiDStot = DSsis + DSamb > 0 © Dario Bressanini

5. Processi Spontanei • Un processo è spontaneo se l’entropia dell’Universo aumenta. • DStot = DSsis + DSamb 0 • É scomodo dover esplicitamente tener conto di quello che succede nell’Universo. Preferiremmo concentrarci solo sul sistema. • Se lavoriamo a pressione costante è facile tener conto dei contributi entropici dell’ambiente. © Dario Bressanini

6. Energia di Gibbs • Introduciamo la funzione G = H – T S • G = energia di Gibbs (un tempo ‘energia libera’) La variazione finita di G è G = H- (TS) A Temperatura e pressione costante G = H- TS © Dario Bressanini

7. Energia di Gibbs e Spontaneità • G < 0 - processo spontaneo • G > 0 - processo non spontaneo (spontaneo nella direzione opposta) • G = 0 - sistema in equilibrio © Dario Bressanini

8. DSuniverso> 0 DG < 0 Energia di Gibbs e Universo Se p e T sono costanti © Dario Bressanini

9. Contributi al DG • G = H - TS • Distinguiamo i due contributi alla variazione di energia di Gibbs • Entropico (S) • Entalpico (H) H S G . -+- Processo spontaneo per ogni T --? Processo spontaneo a basse T + + ? Processo spontaneo ad alte T +-+ Processo mai spontaneo per qualsiasi T © Dario Bressanini

10. Macchine Termiche e Ciclo di Carnot

11. Macchine Termiche • Una macchina termica opera tra duetemperature diverse e trasforma parte del calore in lavoro • Il fluido interno compie un ciclo Fluido Serbatoio Freddo Serbatoio Caldo Isolante © Dario Bressanini

12. Motore © Dario Bressanini

13. 1 TH= costante qH 2 p qL 4 3 TL= costante V Ciclo di Carnot 1-2 : Isoterma 2-3 : Adiabatica 3-4 : Isoterma 4-1 : Adiabatica Lavoro Estratto © Dario Bressanini

14. Ciclo di Carnot © Dario Bressanini

15. Ciclo di Carnot • Efficienza:Lavoro Compiuto / Calore Assorbito = 1-TC/TH • Nessun ciclo puo’ essere piu’ efficiente di un ciclo di Carnot senza violare la Seconda Legge • Si puo’ tendere a Efficienza  1 se TC 0 • Percorrendo un ciclo in senso antiorario otteniamo un frigorifero. © Dario Bressanini

16. Il Ciclo di Otto • Quattro Tempi • 12: adiabatica lenta • 23: isocora veloce • 34: adiabatica lenta • 41: isocora veloce © Dario Bressanini

17. Motore a ciclo di Otto Passo 1: Entra la miscela aria benzina dal carburatore © Dario Bressanini

18. Motore a ciclo di Otto Passo 2: Compressione della miscela © Dario Bressanini

19. Motore a ciclo di Otto Passo 3: Accensione ed espansione della miscela © Dario Bressanini

20. Motore a ciclo di Otto Passo 4: Scarico dei Gas © Dario Bressanini

21. Ciclo di Stirling © Dario Bressanini

22. Lavoro ed Energia di Gibbs • L’Energia di Gibbs rappresenta il massimo lavoro non di espansione ottenbile da un processo © Dario Bressanini

23. Lavoro ed Energia di Gibbs © Dario Bressanini

24. Variazione di Energia di Gibbs G =  H - T  S oppure H =  G + T  S Lavoroutilizzabile EnergiaDispersa EnergiaDisponibile Calore disperso nell’ambiente, che aumenta l’entropia dell’univrso Benzina Energia Interna Legami Chimici Ruote che girano, batteria che si carica, luci… © Dario Bressanini

25. Efficienza • L’efficienza e’ il rapporto tra il lavoro estratto e l’energia fornita. Apparecchio efficienza Batterie a secco 90% Caldaia domestica 65% Razzo a combustibile liquido 50% Motore di automobile < 30% Lampada a fluorescenza 20% Cella solare ~10 % Lampada ad incandescenza 5 % © Dario Bressanini

26. DG indicatore di efficienza • Per un processo non spontaneo, DG fornisce informazioni sulla minima quantita’ di lavoro necessaria per far avvenire il processo Non e’ raggiungibile il 100% di efficienza © Dario Bressanini

27. Crisi Energetica? • Se l’energia totale si conserva, perche’ abbiamo un “problema energetico” ? • Tutta (o quasi) l’energia che usiamo arriva da un’unica fonte: il Sole • Idrodinamica • Eolica • Combustibili fossili • … • Il problema e’ la degradazione delle forme di energia.A mano a mano che trasformiamo l’energia, diminuiamo la parte utile. Stiamo rapidamente consumando l’energia immagazzinata nei combustibili fossili. © Dario Bressanini

28. III Legge della Termodinamica

29. S(T=0) • Per T = 0, tutto il moto termico si è smorzato, e in cristallo perfetto gli atomi o gli ioni formano un reticolo regolare ed uniforme. • Vi è un solo modo per ottenere questo arrangiamento • S = k log(W) = k log(1) = 0 © Dario Bressanini

30. III Legge della Termodinamica • A differenza delle Entalpie, le entropie hanno una scala assoluta, grazie alla Terza Legge. l’Entropia di un cristallo perfetto a 0 K è 0 © Dario Bressanini

31. Pollock Severini Mondrian S = S max Robert S > 0 Entropia Crescente S > 0 S = 0 Terza Legge della Termodinamica Se T = 0 con ordine massimo, S = 0

32. Tra il Serio e il Faceto... • Prima Legge: Non puoi vincere! • Non puoi ricavare da un sistema piu’ energia di quella che ci metti dentro • Seconda Legge: Non puoi neanche pareggiare! • Non puoi tirare fuori neanche tutta l’energia che ci metti dentro © Dario Bressanini