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Laboratorio di Chimica Fisica
Piercarlo Mustarelli
Sommario
• La Chimica Fisica serve?• La Chimica Fisica può divertire?• Richiami NECESSARI• Calorimetria• Conduttimetria• Elettrochimica all’equilibrio• Viscosimetria• ???
La Chimica Fisica serve?
• Legge di Moore (Intel,1965)La capacità dei circuiti integrati raddoppia ogni due anni (dato empirico rispettato da circa 50 anni)
Fino a quando? Qual è il limite?
Capacità degli hard disk
Distanza tra le piste (passo nanolitografico)
Limite quantistico????
Aspetti industriali (ruolo del chimico)
STMicroelectronics: 300 mm Si wafer STMicroelectronics: clean room
La Chimica Fisica può divertire?Gomma siliconicaAcquaPlastilinaAcciaio
h
elastico plastico viscoso viscoelastico
La Chimica Fisica può divertire?O almeno incuriosire?
• I liquidi possono essere riscaldati al di sopra della temperatura di ebollizione o raffreddati al di sotto della temperatura di congelamento.
• Sono stati termodinamicamente instabili che non si stabilizzano rapidamente per l’assenza di centri di nucleazione (particelle inerti a superficie scabra, imperfezioni del contenitore, impurezze, etc.)
Il forno a microonde
P.S. E’ pericoloso? Che cosa è lo spettro elettromagnetico?
Lo spettro elettromagnetico
Richiami NECESSARILa matematica che serve
yxxy lnlnln +=
yxyx lnln/ln −=
xx lnln αα =
xxx log303.2log10lnln ==
e ≅ 2.178 base di Nepero
Richiami NECESSARILa matematica che serve
ibaz +=
ibaz −=*
( ) ( ) 2/1222/1* yxzzz +==
x
y
z
Richiami NECESSARILa matematica che serve
( ) ( )x
xfxxfdxdf
dx δδ −+
=→0
lim
dgdfgfd ±=± )(gdffdgfgd +=)(
dggf
gdf
gfd 2−=
Serie di Taylor
( ) ( ) ( ) ( )axdxdfafax
dxfd
nxf
ax
n
axn
n
n−⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+≈−⎟
⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
==
∞
=∑
0 !1
dtdg
dgdf
dtdf
=
Richiami NECESSARILa matematica che serve
( ) ( )dxxfxFb
a∫= bxa ≤≤
Esempio: distribuzione rettangolare (continua)Funzione caratterizzata da densità di probabilitàcostante in un intervallo (a,b) e nulla altrove.
f(x)
xa b
f(x) = k a ≤ x ≤ bf(x) = 0 a > x > b
Condizione di normalizzazione: ∫ −=⇒=
b
a abkkdx 11
La distribuzione binomialeConsideriamo uno spazio casuale discreto e completamente classificato in due classi CA e CBmutuamente escludentisi. Definendo
p = p(CA) e q = q(CB)
come conseguenza si ha
q = 1− p
La probabilità B(n) che, su un totale di N eventi, n eventi appartengano a CA è data da:
nNnnNn ppnNn
NqpnNn
NnB −− −−
=−
= )1()!(!
!)!(!
!)(
Richiami NECESSARILa matematica che serve
( ) dyyfdx
xfyxdf
xy⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛∂∂
+⎟⎠⎞
⎜⎝⎛∂∂
=,xyf
yxf
∂∂∂
=∂∂
∂ 22
( ) ( ) ( )dyyxudxyxgyxdf ,,, +=Dato
seyx x
uyg
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛∂∂
=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛∂∂
Allora df è un DIFFERENZIALE ESATTO
Richiami NECESSARILa matematica che serve
kAjAiAA zyx
rrrr++=
kBjBiBB zyx
rrrr++= B
r
Ar
Vettore componente Componente del vettore
BACrrr
×= Prodotto vettoriale
Prodotto scalareθcosBABAC =•=rr
Il prodotto vettoriale:impariamo da un caso “fisico”
( ) ( ) ( )xyzxyz
zyx
ypxpxpzpzpyppppzyxprL −+−+−=⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎣
⎡
=×= kjikji
rrr
Il momento angolare
Richiami NECESSARIQuanti tipi di energia?
• Termica• Chimica• Meccanica • Elettrica• Gravitazionale• …
Passaggi tra forme di energia
1. Da energia meccanica a energia termicaIl calorimetro di Joule
1 cal = 4.184 Joule
Passaggi tra forme di energia
2. Da energia chimica a energia meccanicaIl motore a scoppio
Domanda: PΔV è un’energia? dimostrare
Passaggi tra forme di energia
3. Da energia elettrica a energia termicaLa legge di Ohm
La potenza elettrica
L’energia elettrica
IRV =Δ
RIRVVIW 2
2
=Δ
=Δ=
tRItRVtVItWE Δ=Δ
Δ=ΔΔ=Δ= 2
2
TmctVIEE
p
termel
Δ=ΔΔ=
Il riscaldamento dei corpi per effetto Joule
Passaggi tra forme di energia
4. Da energia chimica a energia elettricaLa cella a combustibile
Spesso le percezioni possono essere errate…
Si consuma più energia a:1. Bere una tazza (m= 200g) di acqua fredda
(T=7C)?2. Portare al terzo piano (h=10m) un sacco di
cemento (m=50kg)?3. Far espandere un cilindro (ΔV =90L) contro la
pressione ambiente (1atm)?
Una tazza di acqua fredda• cp, H2O = 4.184 Jg-1C-1
• ΔT = 37C – 7C = 30 C• mH2O = 200 g
q = m cp ΔT = 200 g x 4.184 Jg-1C-1 x 30 C = 25104 J = 25.1 kJ
Un sacco di cemento• m = 50 kg• Δh = 10 m• g = 9.8 m s-2
E = f s = m g Δh = 50 kg x 9.8 m s-2 x 10 m = 4900 N m = 4.9 kJ
Quali sono le approssimazioni?
Un cilindro in espansione• ΔV = 90 L• p = 1 atm
E = f l = p A l = p ΔV = 1 atm x 90 L = 90 atm L
1 atm = 101325 Pa = 101325 kg m-1s-2
1 atm L = 101325 Pa L= 101325 kg m-1s-2 L1 L = 1 dm3 = 10-3 m3
1 atm L = (101325 kg m-1s-2 L) x (10-3 m3) = 101.3 kg m2s-2 =
= 101.3 J
E = 90 atm L x 101.3 J atm-1 L-1 = 9.12 kJ
Spesso le percezioni possono essere errate…