TERMODINAMICA STATISTICA CHIMICA
Anno accademico e docente
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- English course description
- Anno accademico
- 2015/2016
- Docente
- CELESTINO ANGELI
- Crediti formativi
- 6
- Periodo didattico
- Secondo Semestre
- SSD
- CHIM/02
Obiettivi formativi
- Il corso si pone come completamento del percorso di apprendimento delle proprietà della materia iniziato durante la laurea triennale in Chimica, dove è stata inizialmente affrontata la descrizione del comportamento macroscopico della materia nell'ambito della termodinamica classica (Chimica Fisica I con esercitazioni) e successivamente sono state descritte le leggi che governano il comportamento a livello atomico e molecolare nell'ambito della meccanica quantistica (Chimica Fisica II con esercitazioni).
L'obbiettivo del corso è quello di fornire gli strumenti concettuali che permettono di comprendere come le proprietà microscopiche della materia influenzano il suo comportamento macroscopico e quindi di mettere in relazione i concetti trattati nei due corsi precedenti.
Grazie ai concetti trattati in questo costo lo studente acquisisce la capacità di comprendere i fattori microscopici che influenzano il comportamento macroscopico della materia, in particolare per quanto concerne le più importanti quantità della termodinamica classica (pressione, energia interna, entropia, ecc.) e delle reazioni chimiche (costanti di equilibrio e costanti cinetiche). Prerequisiti
- Si richiede di aver acquisito ed assimilato gli argomenti di termodinamica classica (Chimica Fisica I con esercitationi) e meccanica quantistica atomica e molecolare (Chimica Fisica II con esercitazioni).
Sono inoltre richieste le conoscenze matematiche acquisite nei corsi di matematica della Laurea Triennale in Chimica. Contenuti del corso
- Il corso si articola su 56 ore di didattica, suddivise tra didattica frontale ed esercitazioni, durante le quali si sviluppa un percorso formativo che partendo dalla conoscenza delle proprietà microscopiche della materia porta ad chiarire gli aspetti fondamentali del suo comportamento macroscopico.
A questo scopo si parte dalla definizione di alcune ipotesi di base (postulato di Gibbs, ipotesi ergodica, ecc.) e dalla definizione del concetto di insieme (microcanonico, canonico e gran canonico), delle configurazioni e del peso statistico. Si ricava quindi la distribuzione di Boltzmann e si definisce la funzione di partizione canonica e molecolare.
I concetti sviluppati vengono utilizzati per calcolare la funzione di partizione per il moto traslazionale che viene collegata ad alcune grandezze macroscopiche quali l'energia interna e l'entropia.
Si procede con la trattazione dettagliata del modello di Einstein dei solidi. Dopo la descrizione dei gas di atomi e un breve ripasso dell'approssimazione di Born-Oppenheimer, si passa alla trattazione dettagliata di un gas di molecole biatomiche (traslazione, rotazione, vibrazione) e quindi all'estensione al caso di un gas di molecole poliatomiche.
Questi risultati sono quindi utilizzati per affrontare il concetto chiave dell'equilibrio chimico dal punto di vista statistico, considerando esplicitamente alcune semplici reazioni in fase gassosa (equilibrio di dissociazione, isomerico, di ionizzazione, di scambio isotopico, e di reazione tra molecole biatomiche) e ricavando per queste reazioni la costante di equilibrio che viene confrontata con i valori sperimentali.
Si passa in seguito alla descrizione dei processi chimici cinetici con particolare attenzione alla teoria del complesso attivato.
Dopo aver ricavato in dettaglio la distribuzione per l'insieme gran canonico e aver definito il concetto di potenziale chimico, si passa alla trattazione delle statistiche quantistiche (Fermi-Dirac e Bose-Einstein) che vengono derivate esplicitamente.
Nell'ultima parte del corso si descrive l'approccio completamente classico che viene utilizzato per la derivazione della distribuzione di Maxwell-Boltzmann delle velocità in un gas e per la dimostrazione del principio di equipartizione dell'energia.
Questo approccio viene utilizzato per trattare il problema dei gas reali e per ricavare il secondo coefficiente del viriale.
Il corso si conclude con alcune lezioni dedicate alla trattazione approssimata dei fluidi densi (liquidi) introducendo il concetto di funzione di correlazione radiale. Metodi didattici
- Il corso è basato su lezioni teoriche frontali alternate periodicamente a lezioni con esercizi svolti alla lavagna dal docente e dagli studenti.
Modalità di verifica dell'apprendimento
- La verifica dell'apprendimento avviene mediante un esame orale nel quale vengono discussi e commentati i temi trattati nel corso. Per accedere all'esame orale è necessario aver preventivamente superato una verifica scritta (anche in un appello diverso da quello della prova orale) basata su una o due domande aperte e su alcuni esercizi numerici.
La verifica scritta si considera superata anche se sono state superate le due prove scritte parziali che si svolgono durante il corso (una a metà e una alla fine). Testi di riferimento
- - P. Atkins, J. De Paula; "Chimica Fisica", Zanichelli.
- Terrell L. Hill; "An introduction to statistical thermodynamics", Courier Dover Publications
