Le Funzioni Termodinamiche Essenziali
Le funzioni di stato di un sistema sono le grandezze di stato il cui valore è determinato solo dalle condizioni in cui si trova il sistema stesso. Oltre alle grandezze più note, come densità, composizione, volume, pressione e temperatura, vi sono altre funzioni di stato fondamentali per lo studio dei sistemi termodinamici: energia interna, entalpia, entropia e energia libera. La termodinamica si occupa dello studio delle trasformazioni energetiche durante le interazioni tra sistemi o con l’ambiente circostante.
Nel contesto dei sistemi chimici, i parametri di stato tipici includono temperatura, pressione, volume e composizione del sistema. Quest’ultima si riferisce al numero di moli di ciascuna specie chimica presente nel sistema.
Energia Interna
L’energia interna (U) di un sistema termodinamico rappresenta la somma delle energie possedute da tutte le particelle costituenti, tra cui energia traslazionale, rotazionale, vibrazionale, di legame, nucleare ed elettronica. Questa grandezza è correlata al calore scambiato durante una reazione a volume costante.
Entalpia
L’entalpia (H) di un sistema termodinamico, nota anche come contenuto termico totale, deriva dalla somma dell’energia interna e del prodotto della pressione per il volume (H = U + PV). È correlata al calore scambiato durante una reazione a pressione costante.
Entropia
L’entropia (S) di un sistema termodinamico riflette il grado di disordine delle particelle che lo compongono. È in relazione alla probabilità di transizione verso stati finali diversi da quelli iniziali, contribuendo a predire l’evoluzione spontanea di un sistema.
Energia Libera
L’energia libera (G) di un sistema termodinamico rappresenta la differenza tra entalpia e il prodotto di entropia per la temperatura assoluta (G = H – TS). Questa grandezza è in relazione alla predizione dell’evoluzione spontanea di un sistema non isolato.
Dipendenza delle Funzioni di Stato
Le funzioni di stato dipendono dai parametri di stato del sistema e esprimono le equazioni generali del tipo: U = f(P, V, n1, n2, n3…), H = f(P, T, n1, n2, n3…), G = f(T, P, n1, n2, n3…), S = f(T, P, n1, n2, n3…), valide per sistemi chimici formati da più di una sostanza in reazione. Al variare dei parametri di stato, variano anche le funzioni di stato del sistema.
Equilibrio
Le funzioni di stato assumono un significato termodinamico solo quando il sistema si trova in uno stato di equilibrio. Solo in queste condizioni il numero di moli di ciascun componente, così come la pressione, il volume e la temperatura, sono univocamente determinati. Pertanto, una corretta descrizione dello stato di un sistema termodinamico può essere fatta solo in presenza di un equilibrio con l’ambiente circostante.