La variazione di entropia e come calcolarla: esercizi svolti
La variazione di entropia può avvenire a seguito di una transizione di fase, riscaldamento o raffreddamento, mescolamento di gas o reazioni chimiche. In questo articolo, analizzeremo alcuni casi tipici in cui viene richiesto il calcolo della variazione di entropia con richiami teorici corredati di esercizi svolti.
Transizione di fase
Quando avviene una transizione di fase a temperatura e pressione costante, la variazione di entropia può essere calcolata utilizzando l’equazione: ΔS= ∫ dq_rev/T = q_rev/T. Inoltre, la variazione di entropia in un passaggio di stato può essere espressa da ΔS= ΔH/T. Un esercizio pratico in cui viene calcolata l’entropia standard molare per una transizione di fase a pressione atmosferica e a 100 °C è presentato e risolto.
Riscaldamento/raffreddamento
Quando una sostanza è riscaldata o raffreddata in modo reversibile e non avviene alcun passaggio di stato, la variazione di entropia può essere calcolata in condizioni di pressione e volume costante. Un esercizio pratica in cui viene calcolata la variazione di entropia correlata al riscaldamento di un blocco solido di rame da 300 a 1000 K a pressione atmosferica viene presentato e risolto.
Mescolamento di gas
Un processo in cui due gas ideali sono mescolati a temperatura costante in modo reversibile è preso in considerazione. Viene presentata l’equazione per calcolare la variazione di entropia correlata al processo di mescolamento e viene illustrato attraverso un esercizio pratico.
Semplificazioni
Vengono esposte ulteriori semplificazioni e calcoli, basati sull’equazione di stato dei gas ideali, per ottenere una formulazione semplificata dell’equazione della variazione di entropia nel caso di mescolamento di gas.
Con queste considerazioni e esercizi svolti, la variazione di entropia può essere compresa e calcolata in diversi contesti, contribuendo alla comprensione della termodinamica e dei processi fisico-chimici correlati.
La variazione dell’entropia in chimica fisica
La variazione dell’entropia di mescolamento dei gas è descritta dall’equazione: ΔSmix = – R Σi ni ln (Xi). Questa formula può essere estesa a un numero maggiore di gas.
Esercizio: calcolo della variazione di entropia
Per calcolare la variazione di entropia del mescolamento di 1 mole di H2 e 1 mole di O2 a 25°C e pressione atmosferica, calcoliamo la frazione molare di H2 e O2. Successivamente, sostituiamo i valori nella formula e otteniamo ΔSmix= 11.5 J/K.
Reazioni chimiche
La variazione di entropia standard molare ΔS°r di una reazione chimica è data da: ΔS°r = Σprodotti νiS°i – Σreagenti νiS°i. Dove νi è il coefficiente stechiometrico e S°i è l’entropia molare standard della specie i.
Esercizio: calcolo della variazione di entropia della reazione N2 + 3/2 H2 ⇄ NH3
Considerando i valori di entropia standard delle singole specie, si calcola ΔS°r = – 99.4 J/mol K. Si nota che dalla reazione dei reagenti si ottiene un solo prodotto, causando una diminuzione del disordine e quindi una variazione di entropia negativa.
Questo tipo di esercitazioni consente di comprendere il concetto di entropia e la sua variazione in diverse situazioni, in particolare durante i processi di mescolamento e le reazioni chimiche.