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7 Energia libera di Gibbs e transizioni di fase.pdf - Sdasr.unict.it

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<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

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