Course Syllabus
Obiettivi
L’obiettivo del Corso è quello di fornire i concetti fondamentali della termodinamica classica per lo studio dei sistemi macroscopici, al fine di prevedere l’evoluzione spontanea dei processi e il raggiungimento dello stato di equilibrio
Conoscenze e capacità di
comprensione
Al termine
del corso lo studente conosce:
- le grandezze utilizzate
per la descrizione termodinamica dei sistemi macroscopici e la definizione di
variabili di stato;
- i modelli del gas
perfetto e dei gas reali;
- la prima legge della termodinamica:
energia ed entalpia e loro variazioni in processi di natura fisica e chimica;
- la seconda e terza legge
della termodinamica: entropia e sua variazione in processi di natura fisica e
chimica;
- l’energia libera e le sue variazioni in processi che coinvolgono sostanze pure, miscele semplici e la reattività
chimica.
Conoscenza e capacità di
comprensione applicate
Al
termine del corso lo studente è in grado di:
- calcolare le variazioni energia
ed entalpia in processi di natura fisica e chimica;
- calcolare le variazioni
di entropia in processi di natura fisica e chimica;
- calcolare la variazione di
energia libera in processi che coinvolgono sostanze pure, miscele semplici e la
reattività chimica per la previsione della evoluzione spontanea dei sistemi e
dello stato finale di equilibrio.
Autonomia di giudizio
Al
termine del corso lo studente è in grado di individuare, sulla base del
processo in esame:
- le variabili di stato
necessarie per la descrizione del sistema;
- il potenziale termodinamico
da utilizzare per lo studio dell’evoluzione spontanea del sistema e la
caratterizzazione dello stato di equilibrio.
Abilità comunicative
Saper
presentare nella prova scritta il ragionamento e lo svolgimento dei calcoli
svolti per la soluzione dei problemi in modo chiaro e corretto; saper esporre
oralmente con proprietà di linguaggio gli argomenti proposti dal docente.
Capacità di apprendere
Essere
in grado di applicare le conoscenze acquisite a contesti differenti da quelli
presentati durante il corso, e di comprendere gli argomenti trattati nella
letteratura scientifica riguardanti gli aspetti termodinamici dei processi di
interesse.
Contenuti sintetici
Descrizione
dei sistemi macroscopici; gas perfetti e gas reali; prima legge della
termodinamica, energia ed entalpia; entropia,
seconda e terza legge della termodinamica; energia
libera ed equilibrio; trasformazioni
fisiche di sostanze pure; le miscele semplici; l’equilibrio chimico.
Programma esteso
Descrizione dei sistemi macroscopici: rappresentazione
termodinamica della realtà fisica; variazione dello stato di un sistema;
definizione di lavoro e calore; descrizione matematica dei sistemi; processi
ciclici. Gas perfetti e gas reali:
l’equazione di stato dei gas perfetti; i gas
reali; modellizzazione dei gas reali. Prima legge della termodinamica, energia ed
entalpia: energia e prima legge della
termodinamica; interpretazione molecolare delle variazioni di energia; la
misura del calore scambiato come variabile di stato; capacità termica dei gas; composti puri: dipendenza di CV, CP, E e H dalla
temperatura; espansione di un gas ideale; variazioni
di energia ed entalpia; termochimica: calcolo di variazioni di entalpia. Entropia, seconda e terza legge della
termodinamica: processi spontanei e
necessità di una seconda legge; la seconda legge della termodinamica; il
criterio di spontaneità in termini di entropia; interpretazione molecolare
dell’entropia; combinazione matematica della prima e seconda legge; la terza
legge della termodinamica; variazione di entropia in trasformazioni fisiche di
composti puri; variazione di entropia in trasformazione fisiche di miscele:
entropia di mescolamento; entropia di reazione e sua dipendenza dalla
temperatura; le macchine termiche; il ciclo frigorifero. Energia libera ed
equilibrio: energia libera di Gibbs ed
energia libera di Helmholtz; il criterio di spontaneità in termini di energia
libera; significato dell’energia libera; variazione di energia libera di Gibbs in composti
puri. Trasformazioni
fisiche di sostanze pure: fasi e trasformazioni di fase; diagrammi di fase;
equazione di Clausius-Clapeyron; variazioni di
proprietà in corrispondenza a transizioni di fase. Le miscele semplici: le grandezze parziali molari; la termodinamica del
mescolamento; il potenziale chimico dei liquidi; le proprietà termodinamiche
delle soluzioni; soluzioni reali e attività; diagrammi di fase di sistemi binari. L’equilibrio
chimico: energia libera molare standard di reazione; la risposta degli equilibri
alle condizioni; gli
equilibri elettrochimici.
Prerequisiti
Matematica: calcolo differenziale per funzioni a una o più variabili; integrali; equazioni differenziali. Chimica Generale: proprietà dei gas e delle soluzioni; calcoli stechiometrici relativi agli equilibri chimici. Fisica: lavoro ed energia
Modalità didattica
L’insegnamento prevede 5 CFU (35 ore) di lezioni frontali e
3 CFU (36 ore) di esercitazioni numeriche. Nel corso delle
esercitazioni vengono presentati problemi, a complessità crescente, da
risolvere utilizzando le conoscenze acquisite nelle lezioni frontali. Le
tematiche affrontate durante le esercitazioni costituiranno l’oggetto delle
prove scritte. Lo svolgimento dei problemi, guidato dal docente, tende a
sviluppare e rafforzare le capacità dello studente di identificare le procedure
più idonee per trovare la soluzione.
Materiale didattico
Dispensa fornite dai docenti: U. Cosentino, D. Pitea Elementi di Chimica Fisica
P.W. Atkins, J. de Paula Chimica Fisica, V ed. italiana sulla nona edizione inglese, Zanichelli 2012, o edizioni successive
Videoregistrazioni delle lezioni sulla pagina e-learning dell’insegnamento.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Primo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
L'esame consiste in una prova scritta e in un colloquio orale.
La prova scritta proposta deve essere superata con votazione superiore o uguale a 15
trentesimi. Le prove scritte si articolano in 2 o 3 esercizi da svolgere
in due ore; gli esercizi proposti hanno generalmente "peso" uguale
dal punto di vista della valutazione. Gli esercizi vertono sugli argomenti del
corso che sono stati oggetto delle esercitazioni svolte a lezione. La prova
scritta ha validità di 6 mesi ed entro 6 mesi deve essere svolto il colloquio orale. A seguito di un esito ritenuto non soddisfacente nella prova scritta, può essere svolta una nuova prova scritta. Se lo scritto viene consegnato, questo sostituirà la prova precedente per la valutazione. Se lo scritto non viene consegnato, la valutazione rimarrà quella dello scritto precedente.
La prova orale prevede una discussione sull’esito della prova scritta e domande sugli argomenti del corso. A partire dalla votazione conseguita nella prova scritta, lo studente sarà valutato sulla base dei seguenti criteri: conoscenza e capacità di comprensione; capacità di collegare i diversi concetti; capacità espositive; autonomia di analisi e di giudizio; capacità di utilizzare correttamente il linguaggio scientifico.
Il voto finale, espresso in trentesimi con eventuale lode, è dato dalla media delle due prove.
Su richiesta dello studente, l'esame potrà essere svolto in lingua inglese.Orario di ricevimento
In qualsiasi giorno, previo appuntamento
Aims
The aim of the course is to provide the basic concepts of classical thermodynamics for the study of macroscopic systems, in order to predict the spontaneous evolution of the processes and the achievement of the equilibrium state.
Knowledge
and understanding
At the end of the course the student knows:
-
the quantities used
for the thermodynamic description of macroscopic systems and the definition of
state variables;
-
the models of
perfect gas and real gases;
- the first law of
thermodynamics: energy and enthalpy and their variations in physical and
chemical processes;
-
the second and
third law of thermodynamics: entropy and its variation in physical and chemical
processes;
-
free energy and its
variation in processes involving pure substances, simple mixtures and chemical
reactivity.
Applying
knowledge and understanding
At the end of the course the student is
able to:
-
calculate the
energy and enthalpy variations in physical and chemical processes;
-
calculate entropy
variations in physical and chemical processes;
- calculate the variation of free energy in processes
involving pure substances, simple mixtures and chemical reactivity for the
prediction of the spontaneous evolution of the systems and of the final
equilibrium state.
Making
judgements
At the end of the course the student is
able to identify, based on the considered system:
-
the state variables
necessary for the description of the system;
-
the thermodynamic
potential to be used for the study of the spontaneous evolution of the system
and the characterization of the state of equilibrium.
Communication
skills
The students knows how to present in a
clear and correct way the reasoning and the calculations carried out for the
solution of the problems in the written examination; during the oral
examination, he also knows how to present the topics proposed by the teacher
with language properties.
Learning
skills
To
be able to apply the acquired knowledge to different contexts from those
presented during the course, and to understand the topics covered in the
scientific literature concerning the thermodynamic aspects of the processes of
interest.
Contents
Description of macroscopic systems; perfect gases and real gases; first law of thermodynamics, Energy and Enthalpy; Entropy, second and third law of thermodynamics; free energy and equilibrium; physical transformations of pure substances; simple mixtures; chemical equilibrium.
Detailed program
Description of macroscopic systems:
thermodynamic representation of physical systems; work and heat definitions;
mathematical description of the systems; cyclic processes. Perfect gases and real gases: the state equation of perfect gases;
real gases; modeling of real gases. First
law of thermodynamics, Energy and Enthalpy: molecular interpretation of
energy variations; measurement of exchanged heat as a state variable; thermal
capacity of gases; pure compounds: dependence of Cv, Cp, E and H from the
temperature; expansion of an ideal gas; changes in Energy and Enthalpy; Thermochemistry:
calculation of enthalpy variations. Entropy,
second and third law of thermodynamics: spontaneous processes and second
law; the second law of thermodynamics; criterion of spontaneous transformations
in terms of Entropy; molecular interpretation of Entropy; mathematical
combination of the first and second law; the third law of thermodynamics; Entropy
variation in physical transformations of pure compounds; variation of Entropy
in physical transformation of mixtures: mixing Entropy; reaction Entropy and
its temperature dependence; heat engine; refrigeration cycle. Free energy and equilibrium: Gibbs free
energy and Helmholtz free energy; the criterion of spontaneous transformations in
terms of free energy; meaning of free energy; Gibbs free energy variation in
pure compounds. Physical transformations
of pure substances: phases and phase transformations; phase diagrams;
Clausius-Clapeyron equation; changes in properties in correspondence with phase
transitions. Simple mixtures: the
partial molar quantities; the thermodynamics of mixing; the chemical potential
of liquids; the thermodynamic properties of solutions; real solutions and
activities; phase diagrams of binary systems. Chemical equilibrium: molar standard free energy of reaction; the
response of equilibria to the conditions; electrochemical equilibrium.
Prerequisites
Mathematics: differential calculus for functions
with one or more variables; integrals; differential equations. General
Chemistry: properties of gases and solutions; stoichiometric calculations
related to chemical equilibria. Physics: work and energy.
Teaching form
The course
includes 5 CFU (35 hours) of lectures and 3 CFU (36 hours) of numerical
exercises. During the exercises, problems are presented, with
increasing complexity, to be solved using the knowledge acquired in frontal
lessons. The issues addressed during the exercises will be the subject of the
written tests. The performance of the problems, led by the teacher, tends to
develop and strengthen the student's ability to identify the most suitable
procedures to find the solution.
Textbook and teaching resource
Lecture notes of the teachers: U. Cosentino, D. Pitea Elementi di Chimica Fisica
P.W. Atkins, J. de Paula Physical Chemistry, 9a edition, 2011, Oxford University Press, or other editionsVideotaping of the lessons on the e-learning page of the course.
Semester
First semester
Assessment method
The exam consists of a written test and an oral interview.
which must be passed with a mark higher than or equal to 15/30.
The tests are divided into 2 or 3 exercises to be performed in two hours; the exercises proposed generally have the same "weight" from the point of view of evaluation. The exercises focus on the topics of the course that were the subject of the exercises carried out in class. The written test, which must be passed with a mark higher than or equal to 15/30, is valid for 6 months for the oral interview..
The oral exam includes a discussion on the outcome of the written test
and questions on the topics of the course. Starting from the vote obtained in
the written test, the student will be assessed on the basis of the following
criteria: knowledge and understanding; ability to connect different concepts;
exhibition skills; autonomy of analysis and judgment; ability to use scientific
language correctly.
At the request of the student, the exam can be conducted in English.
Office hours
Every day, by appointment
Staff
-
Ugo Renato Cosentino