La termodinamica chimica

Alcune premesse utili

Alcuni concetti-chiave preliminari da ricordare:

La relazione tra sistema, ambiente e universo: il sistema è la porzione di spazio che rappresenta l’oggetto di studio, l’ambiente è tutto ciò che sta attorno al sistema, l’insieme di sistema e ambiente costituisce l’universo.

Il calore è diverso dalla temperatura: con calore si intende l’energia, con temperatura la manifestazione di questa energia.

In base al tipo di sistema che stiamo studiando potremmo trovarci davanti a diversi tipi di reazioni chimiche in cui è coinvolto il calore:

Sistema aperto: avviene sia uno scambio di energia che uno scambio di materia con l’ambiente (per esempio: una pastiglia effervescente in un bicchiere d’acqua rilascia nell’ambiente energia, ma anche materia, ovvero le bollicine di gas);

Sistema chiuso: avviene solo uno scambio di energia con l’ambiente (per esempio: una bottiglia di vino permette di scambiare energia con l’ambiente, poiché la materia al suo interno non è totalmente isolata);

Sistema isolato: non avviene alcuno scambio né di energia né di materia (per esempio: una bevanda calda all’interno di un thèrmos).

Le reazioni chimiche che possiamo trovarci a dover studiare sono di due tipi:

Endotermiche: reazioni che assorbono calore;

Esotermiche: reazioni che sviluppano e rilasciano calore.

Primo principio della termodinamica chimica

La variazione di energia interna (ΔU) che si registra durante una trasformazione è uguale alla differenza tra il calore (Q) assorbito dal sistema e il lavoro (W, da work) compiuto dal sistema: ΔU = Q-W. (R. Clausius, 1850)

Con “energia interna” si intende la somma tra l’energia cinetica, ovvero l’energia del movimento delle particelle facente parti del sistema, e l’energia potenziale, ovvero l’energia dei legami tra le molecole del sistema. In formula: E interna (U) = E cinetica + E potenziale.

Il primo principio della termodinamica chimica traduce in termini matematici il principio di conservazione dell’energia, secondo il quale l’energia né si crea né si distrugge, ma si conserva, trasformandosi da una forma di energia all’altra.

Secondo principio della termodinamica chimica

È impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia quello di trasferire calore da un corpo freddo a un altro a temperatura maggiore. (R. Clausius, 1850)

Facciamo un esempio: preparando una tisana calda a cui vogliamo aggiungere dello zucchero, immergiamo nell’acqua calda un cucchiaino di metallo (più freddo rispetto all’acqua). A questo punto è impossibile che il cucchiaino freddo ceda ulteriore calore all’acqua per farla scaldare ancora di più per perdere, quindi, calore e di conseguenza raffreddarsi. Al contrario, sarà l’acqua calda a cedere calore al cucchiaino, fino a quando i due (acqua e cucchiaino) non raggiungeranno la stessa temperatura, e quindi una condizione detta “di equilibrio”.

Terzo principio della termodinamica chimica

È impossibile raggiungere lo zero assoluto (0 K = -273,15 °C) tramite un numero finito di trasformazioni termodinamiche. (W. Nernst, 1906)

Con “zero assoluto” si intende una temperatura non fisicamente raggiungibile nella quale gli atomi e le molecole arrivano allo stato fondamentale: sarebbero immobili e ciò non è fisicamente possibile in un numero finito di operazioni. Questa teorizzazione è stata parzialmente smentita nel 2013 quando degli scienziati sono riusciti a scendere sotto la temperatura dello zero assoluto, anche se solo di poco e per poco, bloccando quindi tutti i moti degli atomi e delle molecole. È possibile approfondire questa scoperta e le sue possibili implicazioni in questo interessante articolo di Focus.