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Enthalpy of Sublimation

1850

Germain Hess

(Immagine generata a solo scopo illustrativo)

L'entalpia di sublimazione, [latex]Delta H_{text{sub}}[/latex], è il calore necessario per convertire una mole di una sostanza dallo stato solido a quello gassoso a una data temperatura e pressioneSecondo la legge di Hess, poiché l'entalpia è una funzione di stato, questa variazione di energia è la somma dell'entalpia di fusione (ΔH_fus) e dell'entalpia di vaporizzazione (ΔH_vap).

La relazione [latex]Delta H_{text{sub}} = Delta H_{text{fus}} + Delta H_{text{vap}}[/latex] è un'applicazione diretta della legge di Hess sulla somma costante del calore, un principio fondamentale della termochimica. Questa legge afferma che la variazione totale di entalpia durante un processo chimico o fisico è la stessa indipendentemente dal percorso seguito, purché gli stati iniziale e finale siano gli stessi. In questo contesto, lo stato iniziale è la fase solida e lo stato finale è la fase gassosa. Si possono immaginare due percorsi per passare dallo stato solido a quello gassoso: un percorso diretto in un solo passaggio (sublimazione) o un percorso in due passaggi (fusione del solido in liquido, quindi vaporizzazione del liquido in gas).

La variazione di entalpia per il percorso diretto è l'entalpia di sublimazione, ΔH_{sub}. La variazione di entalpia per il percorso a due fasi è la somma dell'entalpia di fusione (ΔH_{fus}, per la transizione solido-liquido) e dell'entalpia di vaporizzazione (ΔH_{vap}, per la transizione liquido-gas). Poiché gli stati iniziale e finale sono identici per entrambi i percorsi, la legge di Hess impone che le loro variazioni totali di entalpia siano uguali. Questo principio è incredibilmente utile perché permette di calcolare una variazione di entalpia incognita a partire da valori noti. Ad esempio, se le entalpie di fusione e vaporizzazione sono sperimentalmente più facili da misurare rispetto all'entalpia di sublimazione, quest'ultima può essere calcolata con precisione. Questi dati sono cruciali per gli ingegneri chimici e i fisici nella progettazione di processi e nella modellazione di fenomeni fisici in cui la sublimazione è un fattore chiave, come nella deposizione di materiali, nella criogenia e nell'astrofisica.

Chimica, Criogenia, Energia, Entalpia, Trattamento termico, Scienza dei materiali, Diagramma di fase, Ottimizzazione dei processi, Termodinamica

UNESCO Nomenclature: 2210

- Termodinamica

Tipo

Legge fisica

Interruzione

Fondamento

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

Il lavoro di Antoine Lavoisier e Pierre-Simon Laplace sulla calorimetria e le variazioni di calore nelle reazioni chimiche.
the development of the concept of enthalpy (heat content)
the first law of thermodynamics (conservation of energy)

Applicazioni

calculating energy requirements for industrial freeze-drying processes
modeling the ablation of heat shields on spacecraft during atmospheric reentry
predicting the behavior of comets as they approach the sun
designing chemical purification apparatus based on sublimation
thermodynamic database development for materials science

Brevetti:

Idee e potenziali innovazioni

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Argomenti correlati: entalpia di sublimazione, legge di Hess, termochimica, transizione di fase, entalpia di fusione, entalpia di vaporizzazione, funzione di stato, termodinamica, calore di sublimazione, energia.

Contesto storico

Dimostrazione del riscaldamento Joule in un laboratorio d'epoca con apparecchi elettrici.

Riscaldamento Joule ed energia elettrica

Il riscaldamento Joule, o riscaldamento ohmico, è il fenomeno per cui il calore viene prodotto da una corrente elettrica che attraversa un conduttore. La velocità di generazione del calore, o potenza dissipata ([latex]P[/latex]), è data dalla prima legge di Joule, [latex]P = VI[/latex]. Combinandola con la legge di Ohm, la potenza può essere espressa come [latex]P = I^2 R[/latex] o [latex]P = \frac{V^2}{R}[/latex].

Apparecchiatura di laboratorio per la misurazione dell'energia interna e dell'entalpia di un gas perfetto in termodinamica.

Energia interna ed entalpia di un gas perfetto

Per un gas perfetto, l'energia interna ([latex]U[/latex]) e l'entalpia ([latex]H[/latex]) sono funzioni della sola temperatura. Le loro variazioni sono date da [latex]\Delta U = m c_v \Delta T[/latex] e [latex]\Delta H = m c_p \Delta T[/latex], dove [latex]c_v[/latex] e [latex]c_p[/latex] sono i calori specifici a volume e pressione costanti, rispettivamente, e si assumono costanti.

Ricercatore che testa le proprietà viscoelastiche di un polimero sintetico in laboratorio.

Viscoelasticità

La viscoelasticità è la proprietà dei materiali che presentano caratteristiche sia viscose che elastiche quando sottoposti a deformazione. I materiali viscosi, come il miele, resistono al flusso di taglio e si deformano linearmente nel tempo quando viene applicato uno sforzo. I materiali elastici, come un elastico, si deformano quando vengono allungati e tornano rapidamente al loro stato originale una volta rimosso lo sforzo. I materiali viscoelastici presentano elementi di entrambe le caratteristiche.

Enthalpy of Sublimation

Ingegneri che progettano un efficiente motore termico in laboratorio, illustrando le applicazioni della termodinamica.

Seconda legge della termodinamica

La Seconda Legge introduce il concetto di entropia e definisce la direzione dei processi spontanei. Può essere enunciata in diversi modi, ma una conseguenza fondamentale è che l'entropia totale di un sistema isolato non può mai diminuire nel tempo. Questa legge spiega la "freccia del tempo" e perché i processi sono irreversibili, come il calore che fluisce spontaneamente da un corpo caldo a uno freddo.

Scena di laboratorio che illustra gli esperimenti termodinamici sul modello dei gas perfetti.

Il modello del gas perfetto

Un gas perfetto è un modello teorico di un gas in cui le forze intermolecolari sono trascurate e le capacità termiche specifiche ([latex]C_P[/latex] e [latex]C_V[/latex]) sono assunte costanti rispetto alla temperatura. Questo semplifica notevolmente i calcoli termodinamici. Si tratta di un caso specifico di gas ideale, in cui i calori specifici possono variare con la temperatura, il che lo rende un modello più vincolato.

Scena di laboratorio del XIX secolo con Ludwig Boltzmann che studia la legge del gas ideale nella termodinamica statistica.

Legge dei gas ideali (forma statistica)

La formulazione meccanica statistica della legge dei gas ideali esprime la relazione in termini di proprietà microscopiche del gas. Essa mette in relazione la pressione ([latex]P[/latex]) e il volume ([latex]V[/latex]) con il numero totale di particelle ([latex]N[/latex]) e la temperatura assoluta ([latex]T[/latex]) attraverso la costante di Boltzmann ([latex]k_B[/latex]): [latex]PV = Nk_BT[/latex].

1841

1845

1850

1839-01-01

1842

1847

1850

Installazione di un pannello solare che dimostra l'effetto fotovoltaico nella fisica dello stato solido.

The Photovoltaic Effect

The photovoltaic effect is the generation of voltage and electric current in a material upon exposure to light. It is a physical and chemical phenomenon. A common application is the solar cell, which uses this effect to convert sunlight directly into electricity. The effect is based on photons of light exciting electrons into a higher state of energy.

Laboratorio del XIX secolo con strumenti termodinamici ed equazioni di Mayer.

Relazione di Mayer (termodinamica)

La relazione di Mayer collega i calori specifici di un gas perfetto alla costante specifica del gas ([latex]R_s[/latex]). La relazione è [latex]c_p - c_v = R_s[/latex]. Per i calori specifici molari ([latex]C_p[/latex] e [latex]C_v[/latex]), la relazione è [latex]C_p - C_v = R[/latex], dove [latex]R[/latex] è la costante universale dei gas. Questo dimostra che [latex]c_p[/latex] è sempre maggiore di [latex]c_v[/latex].

Conservazione dell'energia

Principio fondamentale secondo cui l'energia totale di un sistema isolato rimane costante nel tempo. L'energia non può essere né creata né distrutta, ma solo trasformata da una forma all'altra, ad esempio da energia potenziale a energia cinetica. Nella meccanica classica, per i sistemi con sole forze conservative, si conserva l'energia meccanica totale [latex]E = T + V[/latex].

Set di laboratorio per la misurazione della viscosità dei fluidi a diverse temperature nell'ambito della termodinamica.

Dipendenza della viscosità dalla temperatura

Per un fluido newtoniano, la viscosità è funzione di temperatura e pressione, ma non della velocità di taglio. Nei liquidi, la viscosità diminuisce significativamente all'aumentare della temperatura, poiché una maggiore energia termica consente alle molecole di superare più facilmente le forze intermolecolari di coesione. Al contrario, nei gas, la viscosità aumenta con la temperatura, poiché collisioni molecolari più frequenti a velocità più elevate determinano un maggiore trasferimento di quantità di moto.

Prima legge della termodinamica

La Prima Legge è una dichiarazione sulla conservazione dell'energia. Essa stabilisce che la variazione dell'energia interna di un sistema chiuso ([latex]\Delta U[/latex]) è uguale al calore fornito al sistema ([latex]Q[/latex]) meno il lavoro compiuto dal sistema sull'ambiente circostante ([latex]W[/latex]). L'equazione di governo è [latex]\Delta U = Q - W[/latex]. Questa legge collega calore, lavoro ed energia interna, stabilendo che il calore è una forma di trasferimento di energia.

Chimico che conduce esperimenti con catalizzatori in un laboratorio d'epoca, 1850.

Catalizzatore in equilibrio chimico

Un catalizzatore aumenta la velocità sia della reazione diretta che di quella inversa in egual misura, fornendo un percorso di reazione alternativo con un'energia di attivazione inferiore. Sebbene un catalizzatore consenta a un sistema di raggiungere l'equilibrio molto più rapidamente, non modifica la posizione dell'equilibrio stesso. Le concentrazioni di equilibrio di reagenti e prodotti, e il valore della costante di equilibrio K, rimangono invariati.

Chimico del XIX secolo che misura i volumi dei gas illustrando la legge dei gas ideali in termodinamica.

Legge dei gas ideali (forma molare)

La legge dei gas ideali è l'equazione di stato per un ipotetico gas ideale, che approssima il comportamento di molti gas in varie condizioni. La forma molare mette in relazione la pressione ([latex]P[/latex]), il volume ([latex]V[/latex]), la quantità di sostanza in moli ([latex]n[/latex]) e la temperatura assoluta ([latex]T[/latex]) attraverso la costante universale dei gas ([latex]R[/latex]): [latex]PV = nRT[/latex].

Apparecchiatura di laboratorio per la misurazione della pressione di vapore e della temperatura in termodinamica.

Relazione di Clausius-Clapeyron

La relazione Clausius-Clapeyron descrive il rapporto tra pressione e temperatura per una sostanza in transizione di fase, come liquido e vapore. Per il vapore acqueo, mostra che la pressione di saturazione del vapore aumenta esponenzialmente con la temperatura. La forma approssimata è [latex]\frac{dp}{dT} = \frac{L}{T(V_v - V_l)} \approx \frac{L p}{R_v T^2}[/latex], dove L è il calore latente.

(se la data è sconosciuta o non rilevante, ad esempio "meccanica dei fluidi", viene fornita una stima approssimativa della sua notevole comparsa)