CHIMICA II-CHIMICA FISICA

L'insegnamento fa parte degli insegnamenti di base del corso di Laurea in Scienze Ambientali, L-32, che ha quali obiettivo generale la formazione di laureati in possesso di una cultura sistemica dell'ambiente e quali obiettivo formativo specifico, pertinente all'insegnamento, lo sviluppo della capacità di analisi di sistemi e processi ambientali, finalizzata alla promozione dello sviluppo sostenibile e della qualità dell'ambiente. In questo contesto, gli obiettivi dell'insegnamento sono: 1) fornire gli elementi teorici per comprendere le problematiche legate alle conversioni energetiche ed alla gestione dei sistemi energetici 2) sviluppare la capacità di interpretare dinamiche ambientali complesse, quali quelle legata alla destino degli inquinanti in ambiente, a partire dai principi fondamentali della Termodinamica Classica.

La frequenza e lo studio individuale consentiranno a studenti/studentesse di conseguire i seguenti risultati:
Conoscenza e comprensione
Comprendere il Primo e Secondo Principio della Termodinamica Classica. Capire come tali leggi possano essere esplicitate, in sistemi diversi, mediante le funzioni di stato, quali l'Energia interna, U, e l' Entropia, S e i potenziali termodinamici: Energia libera, F, Entalpia, H, , Energia libera di Gibbs, G. Comprendere il concetto di qualità dell'energia, legato alle funzioni U ed S, e quello di Exergia.
2. Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Saper calcolare l'efficienza dei processi di conversione energetica e stimare il massimo lavoro estraibile da un sistema termodinamico. Essere in grado di derivare dai potenziali termodinamici G e H le principali leggi che governano distribuzione della materia e dell'energia in sistemi ambientali. Poter utilizzare tali leggi per formulare previsioni sulla dispersione e la reattività di sostanze inquinanti nei sistemi ambientali.
3. Capacità di giudizio
Saper valutare il pregio di diverse forme di energia e, su tale base, le prospettive di miglioramento dell'efficienza energetica. Acquisire elementi di base per la valutazione del rischio legato alla dispersione delle sostanze chimiche.

Nozioni fondamentali di analisi matematica, fornite nei due moduli dell'insegnamento di Istituzioni di Matematica, quali funzioni di una e piu variabili, derivate ordinarie e parziali, integrali.
Nozioni fondamentali di Fisica, fornite nel corso di Fisica I e Laboratorio, quali energia, lavoro, principio di conservazione dell'energia meccanica.

Sistemi e variabili termodinamiche.Trasformazioni termodinamiche. Definizione di energia interna. Calcolo dell'energia interna di un gas perfetto.
Il I Principio della Termodinamica. Energia termica. Formulazione del I Principio per trasformazioni finite, differenziali e processi ciclici. Applicazione del I Principio allo studio delle trasformazioni isocora, isoterma e isobara di un gas perfetto.
Entropia. Definizione di Entropia e di temperatura assoluta. Calcolo della variazione di entropia associata ad alcuni processi.
Il II Principio della Termodinamica. Disuguaglianza di Clausius per sistemi chiusi e isolati. Enunciati del II Principio di Lord Kelvin e di Clausius. Conversione di energia termica in energia meccanica. La macchina di Carnot. Teorema di Carnot.
Entropia e qualità dell'energia. Efficienza della macchina termica. Livello entropico e qualità dell'energia. Efficienza di alcune comuni conversioni energetiche.
Risorse energetiche. Definizioni di energia utile ed exergia. Panoramica delle attuali risorse energetiche e del loro utilizzo. Considerazioni sulla razionalizzazione dell'utilizzo delle risorse energetiche.
L'equazione fondamentale di Gibbs. Il metodo delle variazioni virtuali per lo studio dell'equilibrio termodinamico. Condizioni di equilibrio eterogeneo per sistemi isolati.
Condizione necessaria di equilibrio. Applicazione ad un sistema isolato bifasico. Equaglianza delle variabili intensive all'equilibrio, in assenza di reazioni chimiche.
I potenziali termodinamici: l'energia libera F.
I potenziali termodinamici: l'energia libera di Gibbs G. Processi spontanei a temperatura e pressione costante e diminuzione di G. Entalpia H. Suo significato fisico. La relazione fondamentale della termica chimica.
Equilibri di fase. Condizioni di equilibrio a temperatura e pressione costante per sistemi bifasici. Potenziali chimici. Sistemi ad un componente: variazioni di H, S e G con la temperatura a pressione costante. Cenni al III Principio della Termodinamica. Equazioni di Claperyron e Clausius-Clapeyron. Entalpia ed Entropia di transizione di fase.
Diagrammi di stato per un componente. Punto triplo e regola delle fasi di Gibbs. Diagramma di stato dell'acqua.
Miscele di gas. Potenziale chimico di un gas perfetto a temperatura costante. Miscele di gas perfetti. Espressione del potenziali chimico di un gas in una miscela in funzione della sua pressione parziale e frazione molare. Energia libera di Gibbs di mescolamento. Entropia di mescolamento.
Gas reali Grandezze molari medie e molari parziali. Rappresentazione grafica dei processi di mescolamento. Potenziale chimico di un gas reale: fugacità e variabili ridotte. Temperatura critica. Distinzione tra gas e vapori
Soluzioni .Potenziale chimico di un liquido puro. Soluzioni perfette e ideali liquido-liquido. Leggi di Raoult e di Henry. Soluzioni non-ideali. Energia libera di Gibbs di mescolamento per soluzioni non ideali. Entalpia ed Entropia di soluzione. Solubilità.
Equilibrio di ripartizione di una sostanza tra due fasi liquide. Legge di Nernst. Solventi organici ed inorganici. Costante di ripartizione acqua-ottanolo e sua importanza nella dispersione di inquinanti in ambiente. Relazione tra costanti di Henry e Nernst e variazioni di energia libera di Gibbs associate ai processi di dissoluzione e ripartizione. Equazione di Gibbs-Helmoltz. Applicazione all'ossigeno disciolto in acqua. Cenni alle proprietà colligative
L' equilibrio chimico. Reazioni chimiche spontanee e diminuzione di G. Criterio di spontaneità. DeltaG di reazione. Condizioni di equilibrio chimico. Derivazione della legge di azione di massa per reazioni chimiche omogenee in fase liquida e gassosa. Effetto di temperatura e pressione sull'equilibrio chimico.

Note articolate in 8 capitoli, circa 215 pagine, distribuite dal docente

L'apprendimento viene verificato attraverso una prova scritta, che consiste nello svolgimento di tre esercizi, volti ad accertare che lo studente abbia compreso i principali principi teorici e li sappia applicare a semplici casi pratici. Gli esercizi, quindi, consistono nel definire i concetti fondamentali, derivare da essi le principali leggi verificabile sperimentalmente, applicarle a semplici esempi numerici.

Lezioni frontali, basate sulle note distribuite settimanalmente agli studenti, in cui vengono esposti gli argomenti trattati avvalendosi anche di presentazioni power point. Gli argomenti trattati vengono illustrati con esempi, ritenuti di interesse per comprendere le dinamiche ambientali e le problematiche legate all'utilizzo dell'energia. Vengono risolti semplici esercizi numerici, simili a quelli proposti nel test.

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