7 Energia libera di Gibbs e transizioni di fase.pdf - Sdasr.unict.it
7 Energia libera di Gibbs e transizioni di fase.pdf - Sdasr.unict.it
7 Energia libera di Gibbs e transizioni di fase.pdf - Sdasr.unict.it
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
<strong>Energia</strong> <strong>libera</strong> <strong>di</strong> <strong>Gibbs</strong> e <strong>transizioni</strong> <strong>di</strong><br />
<strong>fase</strong><br />
Una sostanza può presentare <strong>di</strong>versi STATI <strong>di</strong> AGGREGAZIONE<br />
→ FASI<br />
Una FASE è, per definizione, uniforme per tutta la sua<br />
estensione sia per la composizione chimica che per lo<br />
stato fisico → porzione omogenea <strong>di</strong> un sistema, in contatto con le<br />
altre parti del sistema ma separata da esse me<strong>di</strong>ante superfici ben<br />
defin<strong>it</strong>e.<br />
Un SISTEMA ETEROGENEO è cost<strong>it</strong>u<strong>it</strong>o da più fasi,<br />
<strong>di</strong>stinguibili l’una dall’altra per la presenza <strong>di</strong> confini<br />
riconoscibili.<br />
1
<strong>Energia</strong> <strong>libera</strong> <strong>di</strong> <strong>Gibbs</strong> e <strong>transizioni</strong> <strong>di</strong><br />
<strong>fase</strong><br />
Es. su scala macroscopica una<br />
DISPERSIONE appare uniforme ma<br />
non a livello molecolare. Una<br />
SOLUZIONE <strong>di</strong> A in B (soli<strong>di</strong> o<br />
liqui<strong>di</strong>) su scala molecolare è<br />
uniforme: qualsiasi campione della<br />
miscela è rappresentativo della<br />
composizione complessiva.<br />
Soluzione mono<strong>fase</strong><br />
composizione uniforme su<br />
scala microscopica<br />
<strong>di</strong>spersione<br />
Regioni <strong>di</strong> un<br />
componente sono<br />
incluse in una<br />
matrice del secondo<br />
componente<br />
Definizione <strong>di</strong> COMPONENTE<br />
Il numero minimo <strong>di</strong> specie in<strong>di</strong>pendenti necessario a<br />
definire la composizione <strong>di</strong> tutte le fasi presenti nel<br />
sistema.<br />
2
Regola delle fasi<br />
F = C- P + 2<br />
F = varianza <strong>di</strong> un sistema (gra<strong>di</strong> <strong>di</strong> libertà)<br />
C = componenti<br />
P = fasi<br />
Dato un sostema a C componenti e P fasi:<br />
• Variabili intensive → P, T<br />
• Composizione delle singole fasi → (C-1) x i<br />
x i = n i /n T (frazione molare della i-esima componente)<br />
n i = moli della componente i-esima<br />
n T = moli totali<br />
∑ xi<br />
= 1<br />
i<br />
• Composizione complessiva → P(C-1)<br />
⇒ N° totale <strong>di</strong> variabili (varianza) = P(C-1) + 2<br />
3
<strong>Energia</strong> <strong>libera</strong> <strong>di</strong> <strong>Gibbs</strong> e <strong>transizioni</strong> <strong>di</strong><br />
<strong>fase</strong><br />
Se ci sono equilibri tra le fasi queste variabili non possono<br />
tutte cambiare in maniera in<strong>di</strong>pendente → vincoli<br />
⇒ all’equilibrio un dato componente deve presentare lo<br />
stesso potenziale chimico in ogni <strong>fase</strong><br />
Per il componente j-esimo:<br />
µ j (<strong>fase</strong> 1) = µ j (<strong>fase</strong> 2) = .... = µ j (<strong>fase</strong> P) → (P-1) equazioni<br />
Per tutti i C componenti → C(P-1)<br />
N° complesivo <strong>di</strong> gra<strong>di</strong> <strong>di</strong> libertà: n° tot variabili – n° tot vincoli<br />
F = P(C-1) +2 - C(P-1)<br />
F = C – P +2<br />
4
Trasformazioni <strong>di</strong> <strong>fase</strong> <strong>di</strong> una sostanza<br />
pura<br />
• Bisogna conoscere l’equazione <strong>di</strong> stato <strong>di</strong> una sostanza<br />
→ superficie caratteristica<br />
• Proiettando la superficie caratteristica lungo i piani<br />
cartesiani ⇒ DIAGRAMMI DI STATO<br />
P<br />
P<br />
T<br />
T<br />
V<br />
V<br />
H 2 O<br />
(Bi, Ga)<br />
p.to ebollizione<br />
standard (1bar)<br />
Descrizione quant<strong>it</strong>ativa degli equilibri <strong>di</strong><br />
<strong>fase</strong><br />
Date 2 fasi A e B:<br />
1) µ A < µ B ⇒ spontaneamente da A ← B<br />
2) µ A > µ B ⇒ spontaneamente da A → B<br />
3) µ A = µ B ⇒ equilibrio A⇄B<br />
Inoltre:<br />
⎛ ∂G<br />
⎞<br />
µ<br />
i<br />
=<br />
⎜<br />
n<br />
⎟<br />
⎝ ∂<br />
i ⎠<br />
P,<br />
T , n<br />
j≠i<br />
⇒ µ =<br />
(a P e T = cost)<br />
(1 componente)<br />
i<br />
G<br />
i<br />
=<br />
G<br />
n<br />
i<br />
⎛ ∂G<br />
⎞<br />
⎜ ⎟<br />
⎝ ∂T<br />
⎠<br />
P<br />
= −S<br />
⎛ ∂G<br />
⎞<br />
⇒ ⎜ ⎟<br />
T<br />
⎝ ∂ ⎠<br />
P<br />
= −S<br />
1. All’aumentare <strong>di</strong> T ⇒ µ<strong>di</strong>minuisce!!<br />
2. µ G <strong>di</strong>minuisce con T crescente più rapidamente <strong>di</strong> µ L<br />
che a sua volta <strong>di</strong>minuisce più rapidamente <strong>di</strong> µ S<br />
6
Descrizione quant<strong>it</strong>ativa degli equilibri <strong>di</strong><br />
<strong>fase</strong><br />
Una transizione <strong>di</strong> stato è il<br />
passaggio spontaneo da uno<br />
stato <strong>di</strong> aggregazione ad un<br />
altro o da una <strong>fase</strong> ad<br />
un’altra.<br />
Equilibri <strong>di</strong> <strong>fase</strong>:<br />
soli<strong>di</strong>ficazione, ebollizione, …<br />
µ = µ → G = G<br />
S L S L L V L V<br />
µ<br />
= µ<br />
→ G =<br />
G<br />
7
Descrizione quant<strong>it</strong>ativa degli equilibri <strong>di</strong><br />
<strong>fase</strong><br />
1. T
Descrizione quant<strong>it</strong>ativa degli equilibri <strong>di</strong><br />
<strong>fase</strong><br />
Finora si è considerato P costante, ma al cambiare della pressione:<br />
T<br />
= V<br />
⎛ ∂G<br />
⎞<br />
⇒ ⎜ ⎟<br />
P<br />
⎝ ∂ ⎠<br />
∂<br />
P 1<br />
Sistemi ad 1 componente<br />
F=C-P+2 = 3-P<br />
Per P=1 → F=2: è possibile variare in modo in<strong>di</strong>pendente sia P che T (una<br />
sola <strong>fase</strong> è rappresentata da un’area nel <strong>di</strong>agramma <strong>di</strong> stato)<br />
Per P=2 all’equilibrio → F=1: stabil<strong>it</strong>a P la temperatura non può variare<br />
<strong>libera</strong>mente (due fasi in equilibrio sono rappresentate da una curva nel<br />
<strong>di</strong>agramma <strong>di</strong> stato)<br />
Per P=3 fasi all’equilibrio → F=0: il sistema è invariante (tre fasi in equilibrio<br />
sono rappresentate da un punto nel <strong>di</strong>agramma <strong>di</strong> stato)<br />
pressione,<br />
p<br />
α<br />
β<br />
ε<br />
quattro fasi in equilibrio<br />
(impossibile)<br />
F=2<br />
una <strong>fase</strong> in<br />
equilibrio<br />
γ<br />
F=1<br />
due fasi in<br />
equilibrio<br />
δ<br />
F=0<br />
tre fasi in<br />
equilibrio<br />
Temperatura, T<br />
10
Sistemi ad 1 componente<br />
e d c b<br />
a<br />
Curva <strong>di</strong> raffreddamento per l’isobara cde:<br />
Temperatura<br />
,T<br />
T f<br />
c<br />
Liquido si raffredda<br />
d<br />
e<br />
solido si raffredda<br />
Tempo, t<br />
11
Sistemi ad 1 componente → equilibrio<br />
eterogeneo LIQUIDO-VAPORE<br />
Regola delle fasi: F=C-P+2 = 1-2+2 = 1<br />
Basta fissare una variabile <strong>di</strong> stato (es. P o T) per in<strong>di</strong>viduare lo stato<br />
del sistema<br />
P<br />
µ(L)<br />
B.<br />
A.<br />
dT<br />
dP<br />
µ(L)= µ(V)<br />
µ(V)<br />
“coor<strong>di</strong>nate” dello stato A: µ L (T,P) = µ V (T,P)<br />
“coor<strong>di</strong>nate” dello stato B: µ L (T+dT,P+dP) = µ V (T+dT,P+dP)<br />
T<br />
Cioè: dµ L = dµ V<br />
12
Sistemi ad 1 componente → equilibrio<br />
eterogeneo LIQUIDO-VAPORE<br />
Poichè consideriamo un componente<br />
puro:<br />
dµ<br />
= VdP − SdT →<br />
dµ<br />
L<br />
= VLdP<br />
− SLdT<br />
dµ<br />
V<br />
= VV<br />
dP − SV<br />
dT<br />
→VLdP<br />
− SLdT<br />
= V<br />
SV<br />
− SL<br />
dP<br />
=<br />
V −V<br />
dT<br />
S<br />
V<br />
V<br />
−<br />
S<br />
L<br />
L<br />
=<br />
∆H<br />
T<br />
vap<br />
V<br />
dP − S<br />
V<br />
dT<br />
G<br />
µ = G = → dµ<br />
= dG =<br />
n<br />
P e T non variano in<br />
maniera arb<strong>it</strong>raria ma<br />
secondo ∆S/∆V!<br />
dP<br />
dT<br />
=<br />
T<br />
∆H<br />
( V −V<br />
)<br />
V<br />
vap<br />
L<br />
dG<br />
n<br />
Equazione <strong>di</strong> Clapeyron<br />
Spostarsi lungo la linea <strong>di</strong> equilibrio L-V implica che: la quant<strong>it</strong>à <strong>di</strong><br />
calore scambiata è uguale a quella necessaria per l’evaporazione<br />
13
Sistemi ad 1 componente → equilibrio<br />
eterogeneo LIQUIDO-VAPORE<br />
Nell’approx. <strong>di</strong>:<br />
1) V L
Sistemi ad 1 componente → equilibrio<br />
eterogeneo LIQUIDO-VAPORE<br />
Per ∆H=cost rispetto a T ⇒ l’equazione <strong>di</strong> Clausius-Clapeyron può essere<br />
interpretata in una forma semplice:<br />
dP<br />
P<br />
∆H<br />
=<br />
RT<br />
dP<br />
dT<br />
vap<br />
∆H<br />
d(ln<br />
P)<br />
= −<br />
R<br />
2<br />
∆H<br />
ln P = −<br />
RT<br />
dT<br />
vap<br />
P∆H<br />
RT<br />
vap<br />
2<br />
= Equazione <strong>di</strong> Clausius-Clapeyron<br />
Clapeyron<br />
vap<br />
⎛ 1<br />
d⎜<br />
⎝ T<br />
+ ln A<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
∆H<br />
vap<br />
ln P = − + ln A<br />
RT<br />
⎡ ∆H<br />
vap ⎤<br />
P = Aexp⎢−<br />
⎥<br />
⎣ RT ⎦<br />
La TENSIONE DI VAPORE<br />
cresce esponenzialmente con T<br />
15
dP<br />
dT<br />
Sistemi ad 1 componente → equilibrio<br />
eterogeneo tra FASI CONDENSATE<br />
Equazione <strong>di</strong> Clapeyron<br />
∆H<br />
trans<br />
=<br />
T V β<br />
V α<br />
( − )<br />
α⇄β<br />
Per le due fasi all’equilibrio:<br />
( P T ) ( P,<br />
T )<br />
µ =<br />
α<br />
, µ<br />
β<br />
L’equazione <strong>di</strong> Clapeyron rimane valida ma la <strong>di</strong>fferenza<br />
tra i volumi molari delle due fasi assume un ruolo cruciale<br />
per la pendenza della curva<br />
P<br />
V α<br />
V β<br />
T<br />
16
Sistemi ad 1 componente → equilibrio<br />
eterogeneo tra FASI CONDENSATE<br />
dP<br />
dT<br />
Equazione <strong>di</strong> Clapeyron<br />
dP<br />
dT<br />
→ ∆P<br />
→ ∆T<br />
∆H<br />
trans<br />
=<br />
T V β<br />
V α<br />
( − )<br />
α⇄β<br />
Variazione della pressione<br />
Variazione della temperatura della transizione <strong>di</strong> <strong>fase</strong><br />
∆T<br />
=<br />
⎡Ttr∆V<br />
⎢<br />
⎢⎣<br />
∆H<br />
fus<br />
⎤<br />
⎥∆P<br />
⎥ ⎦<br />
Es. nel processo <strong>di</strong> fusione → ∆V>0 oppure ∆V0, ∆H fus >0 → T fusione AUMENTA al crescere <strong>di</strong> P<br />
• Elementi che cristallizzano in strutture aperte<br />
⇒ ∆V V 0 → T fusione DIMINUISCE al crescere <strong>di</strong> P<br />
17
dP<br />
dT<br />
Diagrammi <strong>di</strong> stato<br />
Il <strong>di</strong>agramma <strong>di</strong> stato <strong>di</strong> una sostanza mostra le regioni<br />
<strong>di</strong> pressione e temperatura nelle quali le <strong>di</strong>verse fasi<br />
sono termo<strong>di</strong>namicamente stabili<br />
∆Htrans<br />
=<br />
T V β<br />
V α<br />
( − )<br />
Pressione , P<br />
SOLIDO<br />
LIQUIDO<br />
Punto<br />
cr<strong>it</strong>ico<br />
VAPORE<br />
P c<br />
e T c<br />
sono rispettivamente la<br />
pressione e la temperatura cr<strong>it</strong>iche,<br />
cioè i valori <strong>di</strong> P e T al PUNTO<br />
CRITICO, quando le dens<strong>it</strong>à del<br />
liquido e del vapore sono uguali e la<br />
superficie <strong>di</strong> separazione tra le due<br />
fasi scompare<br />
Temperatura, T<br />
A T>T c<br />
vi è un’unica <strong>fase</strong> uniforme<br />
detta fluido supercr<strong>it</strong>ico<br />
18
Diagrammi <strong>di</strong> stato<br />
Il <strong>di</strong>agramma <strong>di</strong> stato <strong>di</strong> una sostanza<br />
mostra le regioni <strong>di</strong> pressione e<br />
temperatura nelle quali le <strong>di</strong>verse fasi<br />
sono termo<strong>di</strong>namicamente stabili<br />
dP<br />
dT<br />
=<br />
∆H<br />
trans<br />
T V β<br />
V α<br />
( − )<br />
Pressione , P<br />
SOLIDO<br />
LIQUIDO<br />
Punto<br />
cr<strong>it</strong>ico<br />
PUNTO TRIPLO, un punto in cui<br />
intersecano le tre curve lim<strong>it</strong>e <strong>di</strong> <strong>fase</strong><br />
e in cui le tre fasi della stessa<br />
sostanza coesistono simultaneamente<br />
in equilibrio. (F= C-P+2=0)<br />
Punto<br />
triplo<br />
VAPORE<br />
Temperatura, T<br />
Defin<strong>it</strong>o univocamente da una coppia<br />
<strong>di</strong> valori <strong>di</strong> P e T.<br />
Es. Punto triplo dell’acqua si trova a<br />
273.16 K e 611 Pa.<br />
19
Diagrammi <strong>di</strong> stato<br />
Una transizione che la termo<strong>di</strong>namica prevede spontanea può<br />
avere luogo troppo lentamente per essere apprezzabile in pratica<br />
→ fasi (stati) termo<strong>di</strong>namicamente instabili perchè la transizione<br />
è impe<strong>di</strong>ta da ragioni cinetiche sono dette fasi (stati)<br />
metastabili.<br />
Pressione , P<br />
solido<br />
Punto<br />
triplo<br />
liquido<br />
vapore<br />
Punto<br />
cr<strong>it</strong>ico<br />
Curva della pressione <strong>di</strong> vapore<br />
saturo (la pressione del vapore in<br />
equilibrio con il proprio liquido in un<br />
recipiente chiuso)<br />
(F= C-P+2=1)<br />
Curva della pressione <strong>di</strong> vapore <strong>di</strong><br />
sublimazione (la pressione del vapore<br />
in equilibrio con il proprio solido in un<br />
recipiente chiuso)<br />
Temperatura, T<br />
20
Diagrammi <strong>di</strong> stato<br />
Ebollizione = fenomeno <strong>di</strong> vaporizzazione <strong>libera</strong> (in un recipiente<br />
aperto) in tutto il liquido →T b (temperatura <strong>di</strong> ebollizione alla<br />
pressione data).<br />
A P=1 atm: punto <strong>di</strong> ebollizione or<strong>di</strong>nario (o normale), la T a cui la<br />
pressione <strong>di</strong> vapore raggiunge 1 atm<br />
A P= 1 bar: punto <strong>di</strong> ebollizione standard<br />
Temperature <strong>di</strong> Fusione (T m ) e <strong>di</strong> Congelamento (T f ) = le<br />
temperature a le fasi solida e liquida coesistono in equilibrio alla<br />
pressione data.<br />
A P= 1 atm: punti <strong>di</strong> fusione e <strong>di</strong> congelamento or<strong>di</strong>nario.<br />
A P= 1 bar: punto <strong>di</strong> fusione standard<br />
21
Diagrammi <strong>di</strong> <strong>fase</strong> dell’acqua<br />
Curva S-L ha pendenza negativa:<br />
T m si abbassa all’aumentare <strong>di</strong> P<br />
(<strong>di</strong>minuzione <strong>di</strong> volume con la<br />
fusione, per la struttura molecolare<br />
aperta del ghiaccio, a causa dei<br />
legami idrogeno)<br />
dP<br />
dT<br />
=<br />
∆S<br />
∆V<br />
V ( H O ) > V ( H ) ⇒ ∆V<br />
0<br />
2 ( l )<br />
2O(<br />
V<br />
<<br />
22
Diagrammi <strong>di</strong> <strong>fase</strong> della CO 2<br />
Curva S-L ha pendenza pos<strong>it</strong>iva:<br />
T m aumenta all’aumentare della T<br />
Punto triplo a P> 1 atm: a P or<strong>di</strong>narie<br />
CO 2(l) non esiste ma il solido sublima<br />
(“ghiaccio secco”)<br />
dP<br />
dT<br />
=<br />
∆S<br />
∆V<br />
V ( H O ) > V ( H ) ⇒ ∆V<br />
0<br />
2 ( l )<br />
2O(<br />
V<br />
<<br />
23
Diagrammi <strong>di</strong> <strong>fase</strong> del carbonio<br />
24
CLASSIFICAZIONE DELLE<br />
TRANSIZIONI DI STATO SECONDO<br />
EHRENFEST<br />
• Classificazione delle<br />
<strong>transizioni</strong> sulla base<br />
dell’andamento del<br />
potenziale chimico.<br />
⎛ ∂µ ⎞<br />
⎜ ⎟ = −S<br />
⎝ ∂T ⎠ P<br />
⎛ ∂µ ⎞<br />
⎜ ⎟ = V<br />
⎝ ∂P ⎠ T<br />
Molte comuni<br />
<strong>transizioni</strong> <strong>di</strong> stato<br />
(fusione,<br />
vaporizzazione, ...) si<br />
accompagnano a<br />
variazioni dell’entalpia<br />
e del volume<br />
⎛ ∂µ ⎞ ⎛ ∂ ⎞<br />
⎜ β µ<br />
− ⎜ ⎟<br />
P<br />
⎟<br />
α<br />
⎝ ∂ ⎠ ⎝ ∂P<br />
⎠<br />
T<br />
⎛ ∂µ ⎞ ⎛ ∂ ⎞<br />
⎜ β µ<br />
− ⎜ ⎟<br />
T<br />
⎟<br />
α<br />
⎝ ∂ ⎠ ⎝ ∂T<br />
⎠<br />
P<br />
T<br />
P<br />
= V<br />
β<br />
= −S<br />
−V<br />
β<br />
α<br />
+ S<br />
α<br />
= ∆<br />
trs<br />
V<br />
= −∆<br />
trs<br />
S<br />
=<br />
∆<br />
T<br />
trs<br />
trs<br />
H<br />
25
Classificazione delle <strong>transizioni</strong> <strong>di</strong> stato<br />
secondo Ehrenfest<br />
Transizioni del 1° or<strong>di</strong>ne = quelle per cui le derivate prime del<br />
potenziale chimico (che è funzione continua delle variabili <strong>di</strong> stato<br />
P, T, V) hanno andamento <strong>di</strong>scontinuo rispetto a P e T in<br />
corrispondenza della transizione<br />
varia la pendenza del potenziale<br />
chimico delle fasi ai due lati della<br />
transizione <strong>di</strong> stato<br />
26
Classificazione delle <strong>transizioni</strong> <strong>di</strong> stato<br />
secondo Ehrenfest<br />
Transizioni del 1° or<strong>di</strong>ne<br />
∆ trs<br />
V ≠ 0 ∆ trs<br />
H ≠ 0<br />
Es. fusione e vaporizzazione ( e )<br />
⎛ ∂G<br />
⎞<br />
⎜ ⎟<br />
⎝ ∂P<br />
⎠<br />
T<br />
= V<br />
⎛ G ⎞<br />
⎜ ∂ ⎟<br />
⎜ T ⎟<br />
⎜ 1 ⎟<br />
∂<br />
⎝ T ⎠<br />
P<br />
=<br />
H<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
∂G<br />
∂T<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
P<br />
= −S<br />
27
Classificazione delle <strong>transizioni</strong> <strong>di</strong> stato<br />
secondo Ehrenfest<br />
Transizioni del 2° or<strong>di</strong>ne = quelle per cui l’andamento della<br />
derivata prima del potenziale chimico rispetto a T è<br />
continuo ma quello della derivata seconda è <strong>di</strong>scontinuo<br />
La pendenza continua <strong>di</strong> µ ai<br />
due lati della transizione implica<br />
che il volume e l’entropia l<br />
(quin<strong>di</strong> l’entalpia) l<br />
non mutino<br />
durante la trasformazione.<br />
28
Classificazione delle <strong>transizioni</strong> <strong>di</strong> stato<br />
secondo Ehrenfest<br />
Transizioni del 2° or<strong>di</strong>ne<br />
Es. transizione or<strong>di</strong>ne/<strong>di</strong>sor<strong>di</strong>ne, <strong>di</strong> ferromegnetismo, conduttore-superconduttore<br />
nei metalli a basse T.<br />
2<br />
2<br />
⎛ ∂ G ⎞ ⎛ ∂V<br />
⎞<br />
⎡⎛<br />
G ⎞⎤<br />
⎛<br />
⎜ = ⎜ ⎟ = −βV<br />
P<br />
⎟<br />
2<br />
⎢⎜<br />
∂<br />
∂ G ⎞ ⎛ ∂S<br />
⎞ CP<br />
⎝ ∂ ⎠ P<br />
T<br />
⎝ ∂<br />
∂<br />
⎟<br />
H<br />
⎠<br />
T<br />
⎥ ⎛ ∂ ⎞<br />
⎜<br />
T<br />
⎢⎜<br />
⎟⎥<br />
= ⎜ ⎟ = C T<br />
⎟ = − = −<br />
2<br />
⎜ ⎟<br />
T T<br />
P ⎝ ∂ ⎠P<br />
⎝ ∂ ⎠P<br />
∂T<br />
⎢⎜<br />
1 ⎟⎥<br />
⎝ ∂T<br />
⎠P<br />
∂<br />
⎢⎣<br />
⎝ T ⎠⎥⎦<br />
P<br />
29
Classificazione delle <strong>transizioni</strong> <strong>di</strong> stato<br />
secondo Ehrenfest<br />
Transizioni λ = in<strong>di</strong>cano il comportamento <strong>di</strong> C p alla<br />
temperatura <strong>di</strong> transizione T trs per una transizione del 2° 2<br />
or<strong>di</strong>ne che vedono la capac<strong>it</strong>à termica <strong>di</strong>ventare infin<strong>it</strong>a.<br />
Es. transizione or<strong>di</strong>ne-<strong>di</strong>sor<strong>di</strong>ne nella lega Cu/Zn (65/35) =ottone,<br />
transizione fluido/superfluido in He liquido, transizione α quarzo→β<br />
cristoball<strong>it</strong>e, ...<br />
C p = pendenza della curva dell’entalpia rispetto a T<br />
⇒ a T trs l’entalpia varia <strong>di</strong> una quant<strong>it</strong>à fin<strong>it</strong>a per una<br />
variazione infin<strong>it</strong>esimale <strong>di</strong> T<br />
ma C P →∞ (il riscaldamento promuove la transizione<br />
e non l’aumento <strong>di</strong> T)<br />
30
Con<strong>di</strong>zioni <strong>di</strong> equilibrio per sistemi a più<br />
componenti<br />
Problema generale:<br />
Valutare la composizione <strong>di</strong> 2 fasi a n componenti in con<strong>di</strong>zioni <strong>di</strong> equilibrio, a T e P<br />
assegnate<br />
Soluzione:<br />
All’equilibrio i potenziali chimici <strong>di</strong> ciascun componente nelle<br />
due fasi presenti sono uguali<br />
Es. equilibrio liquido-vapore:<br />
µ 1V = µ 1<br />
L<br />
µ 2V = µ<br />
L<br />
2<br />
...<br />
µ nV = µ<br />
L<br />
n<br />
Bisogna esplic<strong>it</strong>are la <strong>di</strong>pendenza <strong>di</strong> µ da:<br />
- T,<br />
- p,<br />
- composizione<br />
31
Dipendenza <strong>di</strong> µ dalla pressione<br />
Per definizione:<br />
µ =<br />
i<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
∂G<br />
∂n<br />
i<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
P,<br />
T ,<br />
n j ≠i<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
∂µ<br />
i ⎞<br />
⎟<br />
∂P<br />
⎠<br />
∂µ<br />
i ⎞<br />
⎟<br />
∂P<br />
⎠<br />
T , n<br />
i<br />
T , n<br />
i<br />
⎡<br />
= ⎢<br />
⎢<br />
⎣<br />
⎛ ∂V<br />
⎞<br />
=<br />
⎜<br />
n<br />
⎟<br />
⎝ ∂<br />
i ⎠<br />
⎛ ∂G<br />
⎞<br />
P<br />
⎜<br />
n<br />
⎟<br />
⎝ ∂<br />
i ⎠<br />
∂<br />
∂<br />
P,<br />
T , n<br />
P,<br />
T , n<br />
j≠i<br />
j≠i<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎦<br />
T , n<br />
i<br />
=<br />
⎡ ∂<br />
⎢<br />
⎢⎣<br />
∂n<br />
i<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
∂G<br />
⎞<br />
⎟<br />
∂P<br />
⎠<br />
T , n<br />
i<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥⎦<br />
P,<br />
T , n<br />
j≠i<br />
Per un gas ideale puro:<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
∂µ<br />
i ⎞<br />
⎟<br />
∂P<br />
⎠<br />
∂µ<br />
i ⎞<br />
⎟<br />
∂P<br />
⎠<br />
T , n<br />
i<br />
T , n<br />
i<br />
⎛ ∂V<br />
=<br />
⎜<br />
⎝ ∂ni<br />
=<br />
RT<br />
P<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
P,<br />
T , n<br />
j≠i<br />
⎛ ∂<br />
=<br />
⎜<br />
⎝<br />
( nRT / P)<br />
∂n<br />
i<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
P,<br />
T , n<br />
j≠i<br />
Integrando rispetto a P tra lo stato <strong>di</strong> riferimento (P R ) e lo stato finale i-<br />
esimo (P i ):<br />
G<br />
i<br />
( T P ) = G( T,<br />
P )<br />
, +<br />
i<br />
R<br />
RT<br />
ln<br />
Pi<br />
P<br />
R<br />
32
Dipendenza <strong>di</strong> µ dalla pressione<br />
Consideriamo il sistema formato da: un volume A contente il gas “i” puro,<br />
a contatto attraverso una membrana con una miscela <strong>di</strong> gas nel volume<br />
B. La membrana è permeabile solo al gas “i”.<br />
A B<br />
gas puro i<br />
miscela<br />
I, j, z, ...<br />
All’ equilibrio:<br />
P<br />
G<br />
B<br />
i<br />
⇒ µ<br />
i<br />
=<br />
B<br />
i<br />
P<br />
A<br />
i<br />
= µ<br />
A<br />
i<br />
( puro)<br />
≡ µ<br />
i<br />
( miscela)<br />
(i come GAS PURO)<br />
G<br />
i<br />
( T P ) = G( T,<br />
P )<br />
, + RT<br />
i<br />
R<br />
ln<br />
Pi<br />
P<br />
R<br />
(i in MISCELA)<br />
µ ( P ) = µ ( P )<br />
i<br />
i<br />
i<br />
dµ<br />
=<br />
i<br />
R<br />
RTd ln P<br />
i<br />
+ RT<br />
ln<br />
Pi<br />
P<br />
iR<br />
33
Dipendenza <strong>di</strong> µ dalla pressione per i GAS<br />
REALI<br />
Pressione → fugac<strong>it</strong>à<br />
P i (Pressione parziale) → f i (fugac<strong>it</strong>à del componente i)<br />
d<br />
µ<br />
i<br />
=<br />
RTd<br />
ln<br />
f<br />
i<br />
µ<br />
i<br />
( f ) = µ ( f )<br />
i<br />
i<br />
iR<br />
+<br />
RT<br />
ln<br />
f<br />
f<br />
i<br />
iR<br />
µ<br />
i<br />
( f )<br />
iR<br />
≡ µ<br />
0<br />
i<br />
Fugac<strong>it</strong>à del componente i nello<br />
stato <strong>di</strong> riferimento<br />
f<br />
iR<br />
≡<br />
f<br />
0<br />
i<br />
34
Grandezze parziali molari<br />
(equilibrio <strong>di</strong> sistemi a più componenti)<br />
Le proprietà termo<strong>di</strong>namiche ESTENSIVE (G,H,U,V,...)<br />
<strong>di</strong>pendono dalla COMPOSIZIONE<br />
Es. miscela <strong>di</strong> H 2<br />
O in EtOH a T=cost e P=cost<br />
V<br />
H<br />
2<br />
O<br />
−1<br />
−1<br />
( 298K<br />
) = 0.018L<br />
⋅ mol ; V EtOH ( 298K<br />
) = 0.058L<br />
⋅ mol<br />
Soluzione REALE ≠ soluzione IDEALE<br />
Forze <strong>di</strong> interazione intermolecolari<br />
35
Grandezze parziali molari<br />
A<br />
INTERAZIONI<br />
INTERMOLECOLARI:<br />
Forti effetti <strong>di</strong> solvatazione<br />
delle molecole <strong>di</strong> H 2<br />
O da parte<br />
dell’etanolo al crescere <strong>di</strong> x EtOH<br />
B<br />
36
Grandezze parziali molari<br />
V > 0 S > 0<br />
Volume molare e entropia molare<br />
Sempre pos<strong>it</strong>ivi<br />
V<br />
V<br />
i<br />
i<br />
><br />
<<br />
0<br />
0<br />
S<br />
S<br />
i<br />
i<br />
><br />
<<br />
0<br />
0<br />
Volume molare parziale e entropia<br />
molare parzile<br />
Pos<strong>it</strong>ivi o negativi<br />
Le grandezze parziali molari <strong>di</strong>pendono in modo NON<br />
LINEARE dalla composizione<br />
V<br />
⎛ ∂V<br />
⎜<br />
⎞<br />
H 2O<br />
H O =<br />
2<br />
⎜ n ⎟ ⎝<br />
∂<br />
H 2O<br />
⎠T<br />
, P,<br />
n EtOH<br />
V<br />
EtOH<br />
⎛<br />
=<br />
⎜<br />
⎝<br />
∂V<br />
∂n<br />
EtOH<br />
EtOH<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
T , P,<br />
n H 2O<br />
37
Grandezze parziali molari<br />
In generale, per la grandezza estensiva Y e per il<br />
componente i-esimo:<br />
Y<br />
i<br />
=<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
∂Y<br />
∂n<br />
i<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
T , P,<br />
n j ≠i<br />
Y<br />
i<br />
= H , S , V , G ,... Grandezze estensive<br />
i<br />
i<br />
i<br />
i<br />
Y<br />
i<br />
=<br />
H<br />
i<br />
,<br />
S<br />
i<br />
, V<br />
i<br />
, G<br />
i<br />
,...<br />
Grandezze intensive<br />
38
Y<br />
i<br />
⎛ ∂Y<br />
=<br />
⎜<br />
⎝ ∂ni<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
T , P,<br />
Grandezze parziali molari<br />
La composizione <strong>di</strong> un sistema a più componenti può essere<br />
descr<strong>it</strong>to in termini <strong>di</strong>:<br />
Concentrazioni molari ni<br />
[ moli]<br />
Ci = =<br />
V volume<br />
Frazioni molari<br />
n j ≠i<br />
x =<br />
i<br />
n<br />
n<br />
i<br />
TOT<br />
[ ]<br />
Se ad una soluzione a più componenti, a P e T costanti, si aggiungono<br />
simultaneamente i vari componenti mantenendo costanti i loro rapporti:<br />
dY<br />
P,<br />
T<br />
N<br />
⎛<br />
= ⎜∑Y<br />
⎝ i=1<br />
i<br />
x<br />
i<br />
⎞<br />
⎟dn<br />
⎠<br />
T<br />
N=n° totale <strong>di</strong> componenti<br />
39
Grandezze parziali molari<br />
dY<br />
P,<br />
T<br />
N<br />
⎛<br />
= ⎜∑Y<br />
⎝ i=1<br />
i<br />
x<br />
i<br />
⎞<br />
⎟dn<br />
⎠<br />
T<br />
Per n moli<br />
Y<br />
=<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
n<br />
∑<br />
i=<br />
1<br />
Y<br />
i<br />
x<br />
i<br />
⎞<br />
⎟n<br />
⎠<br />
T<br />
=<br />
n<br />
∑<br />
i=<br />
1<br />
Y<br />
i<br />
n<br />
i<br />
• Volume molare:<br />
V<br />
= V1 x1<br />
+ V2x2<br />
+ ... + V<br />
n<br />
x<br />
n<br />
=<br />
n<br />
∑<br />
i=<br />
1<br />
V<br />
i<br />
x<br />
i<br />
• Entalpia molare:<br />
H<br />
=<br />
H1 x1<br />
+ H<br />
2x2<br />
+ ... +<br />
H<br />
n<br />
x<br />
n<br />
=<br />
n<br />
∑<br />
i=<br />
1<br />
H<br />
i<br />
x<br />
i<br />
• <strong>Energia</strong> <strong>libera</strong> <strong>di</strong> <strong>Gibbs</strong><br />
molare:<br />
G<br />
=<br />
G1 x1<br />
+ G2x2<br />
+ ... + G<br />
n<br />
x<br />
n<br />
=<br />
n<br />
∑<br />
i=<br />
1<br />
G<br />
i<br />
x<br />
i<br />
40
Volume parziale molare<br />
(equilibrio <strong>di</strong> sistemi a più componenti)<br />
A T e P costanti, il volume <strong>di</strong> una soluzione è funzione<br />
delle moli delle sostanze presenti: V=V(n 1 , n 2 , ..)<br />
Per un sistema a due componenti:<br />
dV<br />
dV<br />
V<br />
⎛ ∂V<br />
⎞<br />
=<br />
⎜<br />
n<br />
⎟<br />
⎝ ∂<br />
1 ⎠<br />
= V<br />
= V<br />
1<br />
1<br />
n<br />
1<br />
dn<br />
1<br />
+ V<br />
T , P,<br />
n<br />
+ V<br />
2<br />
n<br />
2<br />
2<br />
2<br />
dn<br />
dn<br />
1<br />
2<br />
⎛ ∂V<br />
⎞<br />
+<br />
⎜<br />
n<br />
⎟<br />
⎝ ∂<br />
2 ⎠<br />
T , P,<br />
n<br />
1<br />
dn<br />
2<br />
Il volume molare parziale <strong>di</strong> una<br />
sostanza è il coefficiente angolare<br />
della variazione del volume totale del<br />
campione in funzione della<br />
composizione<br />
41
Volume parziale molare<br />
42
Volume parziale molare<br />
Cambiando la composizione della miscela per aggiunta<br />
<strong>di</strong> dn 1 moli del componente 1 e dn 2 moli del componente<br />
2, il volume totale della miscela cambia <strong>di</strong>:<br />
dV<br />
=<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
∂V<br />
∂n<br />
1<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
P,<br />
T , n<br />
2<br />
dn<br />
1<br />
+<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
∂V<br />
∂n<br />
2<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
P,<br />
T , n<br />
1<br />
dn<br />
2<br />
Noti i volumi molari dei due componenti <strong>di</strong> una miscela alla composizione (e T)<br />
che interessa, il volume totale della miscela;<br />
V = V +<br />
1n<br />
V<br />
1 2n2<br />
43
<strong>Energia</strong> <strong>di</strong> <strong>Gibbs</strong> parziale molare<br />
44
<strong>Energia</strong> <strong>di</strong> <strong>Gibbs</strong> parziale molare<br />
45
<strong>Energia</strong> <strong>di</strong> <strong>Gibbs</strong> molare parziale<br />
46
<strong>Energia</strong> <strong>di</strong> <strong>Gibbs</strong> molare parziale<br />
47
<strong>Energia</strong> <strong>di</strong> <strong>Gibbs</strong> molare parziale<br />
48
<strong>Energia</strong> <strong>di</strong> <strong>Gibbs</strong> molare parziale<br />
49
ancora sul significato <strong>di</strong> µ:<br />
50
ancora sul significato <strong>di</strong> µ:<br />
51
L’energia <strong>di</strong> <strong>Gibbs</strong> totale <strong>di</strong> una miscela <strong>di</strong> A e B è:<br />
Per una variazione infin<strong>it</strong>esima della composizione:<br />
A<br />
poichè a P e T costanti<br />
A<br />
Equazione <strong>di</strong> <strong>Gibbs</strong>-Duhem<br />
dG = n dµ + µ dn + n dµ<br />
+ µ dn<br />
dG = µ dn + µ dn<br />
A<br />
A<br />
A<br />
B<br />
A<br />
B<br />
B<br />
B<br />
Dato che G è una funzione <strong>di</strong> stato, le eq. (1) e (2) devono essere<br />
uguali ⇒<br />
n dµ<br />
µ<br />
A<br />
Eq.(2)<br />
A<br />
+ nBd<br />
B<br />
= 0<br />
B<br />
B<br />
Eq.(1)<br />
G = n A<br />
µ + n µ<br />
A<br />
B<br />
B<br />
52
Miscele fluide ideali<br />
Si definisce IDEALE una miscela che sod<strong>di</strong>sfa le seguenti<br />
con<strong>di</strong>zioni:<br />
1. Nel processo <strong>di</strong> mescolamento non si ha una variazione <strong>di</strong><br />
volume (il volume molare parziale è uguale al volume<br />
molare)<br />
V i ≡ V<br />
2. Non si producono effetti termici dovuti al mescolamento<br />
H<br />
i<br />
≡<br />
V<br />
→ ∆H<br />
mix<br />
= 0<br />
53
Termo<strong>di</strong>namica del mescolamento -<br />
<strong>Energia</strong> <strong>libera</strong> <strong>di</strong> <strong>Gibbs</strong> <strong>di</strong> mescolamento<br />
54
Termo<strong>di</strong>namica del mescolamento -<br />
<strong>Energia</strong> <strong>libera</strong> <strong>di</strong> <strong>Gibbs</strong> <strong>di</strong> mescolamento<br />
55
Termo<strong>di</strong>namica del mescolamento -<br />
<strong>Energia</strong> <strong>libera</strong> <strong>di</strong> <strong>Gibbs</strong> <strong>di</strong> mescolamento<br />
56
Termo<strong>di</strong>namica del mescolamento -<br />
<strong>Energia</strong> <strong>libera</strong> <strong>di</strong> <strong>Gibbs</strong> <strong>di</strong> mescolamento<br />
57
Termo<strong>di</strong>namica del mescolamento -<br />
Entropia <strong>di</strong> mescolamento<br />
58
Termo<strong>di</strong>namica del mescolamento -<br />
Entalpia <strong>di</strong> mescolamento<br />
59
Termo<strong>di</strong>namica del mescolamento<br />
60