Esercizi svolti di Termodinamica: applicazioni pratiche e calcoli
La termodinamica, branca della fisica che studia le trasformazioni energetiche di un sistema, riveste un ruolo fondamentale in molteplici ambiti scientifici. Questa disciplina si occupa delle variazioni di energia e del calore in relazione ai sistemi, e costituisce un pilastro importante per la comprensione di fenomeni naturali e processi industriali.
Applicazioni in Chimica
Nel campo della chimica, le leggi della termodinamica fornisco preziosi strumenti per la previsione della spontaneità di una reazione o del calore assorbito o ceduto durante una reazione. Oltre a ciò, le grandezze termodinamiche sono ampiamente utilizzate per analizzare le reazioni chimiche e determinarne la variazione di entalpia, entropia ed energia libera di Gibbs.
Esercizi Risolti
*Variazione di Entropia*
Prendiamo ad esempio la reazione Fe₂O₃(s) + 2 Al(s) → 2 Fe(s) + Al₂O₃(s) e calcoliamo la variazione di entropia molare standard. Applicando la formula ΔS°= ΣnS°(prodotti) – ΣmS°(reagenti) otteniamo un risultato di -41 J/K, che indica una diminuzione dell’entropia durante la reazione.
*Variazione di Entalpia e Energia Libera di Gibbs*
Per la reazione Cr₂O₃(s) + 2 Al(s) → 2 Cr(s) + Al₂O₃(s), calcoliamo la variazione di entalpia e di entropia. I calcoli portano alla conclusione che la reazione è esotermica e spontanea, come confermato anche dalla variazione dell’energia libera di Gibbs a 298 K.
In un altro esercizio, la reazione 2 POCl₃(g) → 2 PCl₃(g) + O₂ è analizzata per determinare la variazione dell’energia libera a 298 K. Questa calcolazione rivela che la reazione non è spontanea a tale temperatura, ma potrebbe diventarlo a temperature superiori a 3.20 ∙ 10³ K.
Infine, calcoliamo ΔG° e ΔG a 300 °C per la reazione N₂ + 3 H₂ ⇌ 2 NH₃, rivelando la complessità del rapporto tra termodinamica e cinetica chimica e portando a riflettere sulla sintesi dell’ammoniaca.
In conclusione, questi esercizi dimostrano la centralità della termodinamica nella previsione e comprensione dei processi energetici in ambito chimico e industriale, fornendo strumenti cruciali per l’analisi e l’ottimizzazione delle reazioni.