Syllabus del corso
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.
Nel caso in cui l'orale non venga superato lo studente dovrà rifare la prova scritta.
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
Sustainable Development Goals
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 editions
Videotaping 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.
If the oral exam is not sufficient, a new written test must be done.
The final grade, expressed in thirtieths with possible praise, is given by the average of the two tests.
At the request of the student, the exam can be conducted in English.
Office hours
Every day, by appointment
Sustainable Development Goals
Staff
-
Ugo Renato Cosentino
