Equilibrio termodinamico e variabili di stato

Studio dell’equilibrio termodinamico.

Un sistema formato da un gran numero di particelle che può essere descritto per mezzo di poche grandezze globali, tra le quali la temperatura, si chiama sistema termodinamico. Lo studio del comportamento di questi sistemi, quando sono coinvolti scambi di calore e variazioni di temperatura, è compito della termodinamica.

Equilibrio termodinamico

Consideriamo un sistema termodinamico, ad esempio una massa gassosa e lasciamolo a se stesso. Si osserva che anche se inizialmente sono presenti, tra le varie parti del sistema, differenze di temperatura, di pressione, correnti fluide, …, dopo un certo tempo tali disuniformità scompaiono e si raggiunge uno stato nel quale le grandezze globali hanno un valore costante in tutto il sistema. Si dice che esso ha raggiunto uno stato di equilibrio termodinamico.

Se un sistema è in equilibrio non vuol dire che non c’è movimento, le particelle sono sempre in moto, ma questi moti non li percepiamo su scala macroscopica.

Lo stato di equilibrio termodinamico di un sistema è descritto per mezzo di un numero limitato di grandezze che prendono il nome di variabili di stato.

I valori che esse assumono per un certo stato di equilibrio sono caratteristici di quello stato e non dipendono dal modo con il quale lo stato è raggiunto.

Le variabili di stato sono di due tipi :

Intensive

Estensive

Le variabili intensive sono quelle i cui valori non dipendono dalle dimensioni del sistema, quindi parliamo della temperatura e della pressione. Se, infatti, abbiamo una massa gassosa in equilibrio e la dividiamo in due parti, i valori della temperatura e della pressione in esse non variano se non viene alterato l’equilibrio termodinamico.

Le variabili estensive hanno valori che dipendono dalla quantità di materia che costituisce il sistema, stiamo parlando del volume.

Per esprimere la quantità di materia viene usata l’unità mole oppure k mole. La caratteristica di questa quantità non è la massa della quantità di sostanza, ma il fatto che il numero della particelle in essa, in una mole o in una k mole, è sempre lo stesso qualunque sia la sostanza. Il peso, invece, è diverso.

La quantità di sostanza è intesa come numero di particelle presenti.

Sappiamo che ogni elemento è catalogato, l’idrogeno contiene un elettrone e un protone, diciamo che la sua massa è 1. Per l’ossigeno diciamo che è 16. (Se trovate per l’idrogeno m_H = 1,008 u , dove u è unità di massa, è perchè si tiene conto anche dell’esistenza del deuterio e del trizio, quello è un valore medio, ma è quello esatto per l’idrogeno, così come m_o = 15,9995 u).

La k mole è una massa che, in kg, è espressa da un numero pari al peso atomico (nel caso di atomi) o dalla somma degli atomi che entrano nella molecola(nel caso di molecole).

In un qualunque gas il numero di particelle presenti in una k mole è fisso ed è il numero di Avogadro N_A .

In 1 kg di gas ci sono

N_A = 6,022 10²⁶ unità di massa

In un grammo ci sono

N_A = 6,022 10²³ unità di massa

Se prendiamo un numero di Avogadro di idrogeno, questo pesa 1 kg

Se prendiamo un numero di Avogadro di ossigeno, questo pesa 16 kg

questo perchè la sigola entità è 16 volte quella della prima, però occupano sempre lo stesso volume perchè esso è legato al numero di particelle e non alla loro massa.

In condizioni standard (O ⁰C e 1 atm) una mole di un qualunque gas occupa 22,4 l di volume = 22,4 m³. Questo è chiamato volume molare di un gas.

In definitiva le variabili estensive sono quelle proporzionali al numero di k moli presenti nel sistema.

Nel caso dei gas le variabili di stato sono

Intensive : Temperatura, pressione

Estensive : Volume

 

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