Course Syllabus
Obiettivi
Approfondire gli aspetti chimico-fisici relativi agli equilibri di ripartizione dei composti nei diversi comparti ambientali ed estendere la trattazione termodinamica allo studio dei sistemi che si trovano in condizioni di non equilibrio, al fine di poter utilizzare le conoscenze acquisite per la trattazione dei sistemi ambientali.
Le attività di laboratorio riguarderanno temi affrontati nella parte frontale
Conoscenze e capacità di comprensione Al termine del corso lo studente conosce:
- le grandezze termodinamiche utilizzate per la descrizione degli equilibri di ripartizione di un composto fra diverse fasi e comparti;
- le leggi che descrivono i processi di trasporto di materia, calore e quantità di moto;
- i principi di stabilità degli stati di equilibrio e degli stati stazionari, in regime lineare e non lineare.
Conoscenza e capacità di comprensione applicate Al termine del corso lo studente è in grado di:
- prevedere l’evoluzione spontanea dei sistemi coinvolti in processi di ripartizione di un composto fra diverse fasi e comparti e calcolare la ripartizione all’equilibrio;
- calcolare l’evoluzione spaziale e temporale di una specie a seguito di processi diffusivi;
- calcolare la stabilità dello stato stazionario di un sistema che si trovi in condizioni di non equilibrio.
Autonomia di giudizio
Al termine del corso lo studente è in grado di:
- applicare la descrizione termodinamica dei sistemi all’equilibrio per lo studio dei processi di ripartizione;
- applicare la descrizione termodinamica dei sistemi non all’equilibrio (in regime lineare e non-lineare) per lo studio di processi di trasporto e di reattività chimica;
Abilità comunicative Saper descrivere in una relazione tecnica in modo chiaro e sintetico ed esporre oralmente con proprietà di linguaggio gli obiettivi, il procedimento ed i risultati dell’esperienze di laboratorio effettuate. 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
Equilibri di ripartizione; Termodinamica ambientale; Processi di trasporto
Programma esteso
Termodinamica dei processi di ripartizione. Sistemi reali: fugacità e coefficienti di attività. Processi di ripartizione. Tensione di vapore e ripartizione liquido-gas. Coefficienti di attività e solubilità in acqua. Ripartizione di un composto fra diversi comparti e fasi. Processi di trasporto.
Termodinamica dei sistemi non all'equilibrio. Equilibrio termodinamico e i criteri di stabilità. Sistemi non all'equilibrio: il regime lineare e gli stati stazionari. Criteri di stabilità degli stati stazionari. Sistemi lontani dall'equilibrio e criteri di stabilità. Le strutture dissipative
Descrizone in chiave termodinamica dei processi che si realizzando sul pinatea Terra
Prerequisiti
Termodinamica dei sistemi all’equilibrio
Modalità didattica
L’insegnamento prevede 4 CFU (32 ore) di lezioni frontali e 2 CFU (20 ore) di laboratorio, così articolate:
-) 16 lezioni frontali (da 2 ore ciascuna) svolte in presenza in modalità erogativa
-) 5 esperienze di laboratorio (da 4 ore ciascuna) svolte in modalità interattiva in presenza, nel corso delle quali vengono realizzate esperienze riguardanti argomenti trattati durante le lezioni frontali al fine di meglio comprenderne gli aspetti fenomenoligici e teorici.
Materiale didattico
Dispensa fornita dal docente: U. Cosentino, Chimica Fisica Ambientale
Letture consigliate:
P.W. Atkins, J. de Paula Chimica Fisica, V ed. italiana sulla nona edizione inglese, Zanichelli 2012
Rene P. Schwarzenbach, R.P, Gschwend P.M., Imboden D.M., Environmental Organic Chemistry – 2003, seconda edizione inglese, Wiley
Progogine, D. Kondepudi Termodinamica: dalle macchine termiche alle strutture dissipative – 2002, Bollati Boringhieri Ed., Torino
A. Kleidon, Thermodynamic Foundations of the Earth System, Cambridge University Press, 2016
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Primo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
L'esame consiste nella presentazione di una relazione tecnica di gruppo relativa alle esperienze di laboratorio, e in un colloquio orale individuale.
La relazione tecnica viene valutata in termini di completezza, accuratezza e chiarezza espositiva e il voto è attribuito sulla base dei seguenti criteri:
18-22: valutazione sufficiente ma con carenze significative in termini di completezza, accuratezza e chiarezza espositiva;
23-25: valutazione discreta con descrizioni complete ma non approfondite e accurate, con possibili carenze espositive;
26-27: valutazione distinta con descrizioni complete e accurate, esposte in modo corretto;
28-30/30L; valutazione ottima con descrizioni complete, accurate e con significativi contributi personali di carattere interpretativo dei risultati, esposte in modo chiaro ed esaustivo;
Il colloquio orale individuale riguarda una serie di contenuti del corso scelti dagli studenti e concordati con il docente ed è volto a verificare: il livello delle conoscenze acquisite; l’autonomia di analisi e giudizio; le capacità espositive dello studente. Il voto del colloquio è attribuito sulla base dei seguenti criteri:
18-22: preparazione sufficiente sugli argomenti affrontati, con capacità di trattazione e analisi limitate che sono sviluppate solo a seguito dell’aiuto e delle domande del docente; competenza espositiva e lessico non sempre corretti, con una capacità di elaborazione critica limitata;
23-25: preparazione adeguata sugli argomenti trattati, con capacità di analisi autonoma non sempre presente, uso di un lessico corretto anche se non del tutto accurato e chiaro e di una capacità espositiva a tratti incerta;
26-27: solida preparazione sulle tematiche affrontate, con capacità di svolgere in modo autonomo l’argomentazione e l’analisi critica, capacità di applicazione delle conoscenze ai contesti e collegamento dei temi a casi concreti, uso di un lessico corretto e competenza nell’uso del linguaggio disciplinare;
28 – 30/30L: preparazione completa ed esaustiva, capacità personale di trattazione autonoma e di analisi critica dei temi, capacità di riflessione e autoriflessione e di collegamento dei temi a casi concreti e a diversi contesti, ottima capacità di pensiero critico e autonomo, piena padronanza del lessico disciplinare e di una capacità espositiva rigorosa e articolata, capacità di argomentazione, riflessione e di autoriflessione.
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
To treat the main physical-chemical aspects related to the equilibrium distribution of compounds in various environmental compartments and extend the thermodynamic discussion to the study of non-equilibrium systems, in order to use the knowledge gained for the treatment of environmental systems.
Laboratory experiences will integrate the arguments discussed during the course.
Knowledge and understanding At the end of the course the student knows:
- the thermodynamic quantities used for the description of partition equilibria of a compound between different phases and compartments;
- the equations describing the transport processes of matter, heat and momentum;
- the stability criteria of equilibrium states and stationary states, in a linear and non-linear regime.
Applying knowledge and understanding At the end of the course the student is able to:
- predict the spontaneous evolution of the systems involved in processes of distribution of a compound between different phases and compartments and calculate the distribution at equilibrium;
- calculate the spatial and temporal evolution of species following diffusion processes;
- calculate the stability of the steady state of a system that is in conditions of non-equilibrium.
Making judgements At the end of the course the student is able to:
- apply the thermodynamic description of equilibrium systems for the study partition processes;
- apply the thermodynamic description of non-equilibrium systems (in linear and non-linear regimes) for the study of transport processes and chemical reactivity.
Communication skills Knowing how to describe in a technical report in a clear and concise manner the objectives, the procedure and the results of the laboratory experiments performed. Knowing how to present orally 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
Partitioning equilibria; Environmental thermodynamics; Transport processes
Detailed program
Thermodynamics aspects of partitioning processes. Real systems: fugacity and activity coefficients. Partitioning processes: vapour and liquid-gas distribution. Activity coefficients and solubility in water. Partitioning of compounds between different environmental compartments and phases.
Transport processes
Thermodynamics of non-equilibrium systems. Thermodynamic equilibrium and stability criteria. Non- equilibrium systems: the linear regime and the stationary states. Criteria for stability of stationary states. Systems far from equilibrium and stability criteria. Dissipative structures
Thermodynamic description of the processes that take place on the Earth pinatea
Prerequisites
Thermodynamic of equilibrium systems
Teaching form
The course includes 4 CFU (32 hours) of lectures and 2 CFU (20 hours) in the laboratory.
-) 16 two-hour lectures, in person, delivered frontaldidatics;
-) 5 four-hour lab activities, in person, Interactive Teaching. In the laboratory experiences are realized regarding topics covered during the lectures in order to better understand the phenomenological and theoretical aspects.
Textbook and teaching resource
Lecture notes of the teacher: U. Cosentino, Chimica Fisica Ambientale
Suggested textboks
P.W. Atkins, J. de Paula Physical Chemistry, 9a edition, 2011, Oxford University Press
Rene P. Schwarzenbach, R.P, Gschwend P.M., Imboden D.M., Environmental Organic Chemistry – 2003, second edition, Wiley
D. K. Kondepudi, I. Prigogine Modern Thermodynamics: From Heat Engines to Dissipative Structures, John Wiley & Sons Inc, 1998.
A. Kleidon, Thermodynamic Foundations of the Earth System, Cambridge University Press, 2016
Semester
First semester
Assessment method
The exam consists of a group presentation of a technical report on the laboratory experiments, followed by an individual oral exam.
The technical report is evaluated for completeness, accuracy, and clarity of presentation, and the grade is assigned based on the following criteria:
18-22: sufficient grade but with significant deficiencies in completeness, accuracy, and clarity of presentation;
23-25: fair grade with complete but not in-depth and accurate descriptions, with possible deficiencies in presentation;
26-27: distinguished grade with complete and accurate descriptions, presented correctly;
28-30/30L: excellent grade with complete and accurate descriptions and significant personal contributions in interpreting the results, presented clearly and comprehensively;
The individual oral exam covers a series of course topics selected by the students and agreed upon with the instructor and is designed to assess: the level of knowledge acquired; the student's independent analysis and judgment; and his or her presentation skills. The interview grade is assigned based on the following criteria:
18-22: sufficient preparation on the topics covered, with limited discussion and analysis skills that are developed only with the instructor's assistance and questions; presentation skills and vocabulary are not always correct, with limited critical thinking skills;
23-25: adequate preparation on the topics covered, with inconsistent independent analysis skills, use of correct vocabulary, though not entirely accurate and clear, and presentation skills that are at times uncertain;
26-27: solid preparation on the topics covered, with the ability to independently conduct argumentation and critical analysis, the ability to apply knowledge to contexts and connect themes to concrete cases, use of correct vocabulary, and proficiency in the use of disciplinary language;
28 – 30/30L: Complete and comprehensive preparation, ability to independently address and critically analyze topics, ability to reflect and self-reflect, and ability to connect topics to concrete cases and different contexts, excellent critical and independent thinking, full command of the disciplinary vocabulary, rigorous and detailed presentation skills, and ability to argue, reflect, and self-reflect.
The final grade, expressed out of thirtieths with possible honors, is the average of the two exams.
Upon student request, the exam may be taken in English.
Office hours
Every day, by appointment**.**
Sustainable Development Goals
Staff
-
Ugo Renato Cosentino
