Chapter 6: Thermochemistry

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6.1:

Nozioni di base sull'energia

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Energy Basics

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6.2: First Law of Thermodynamics

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Perché il sodio metallico reagisce con l’acqua per produrre idrogeno gassoso, ma il cloruro di sodio si dissolve semplicemente? Ciò può essere spiegato studiando la relazione fra chimica ed energia, chiamata termochimica”Tutte le forme di materia sono associate all’energia, che può essere misurata come calore o lavoro. I due principali tipi di energia sono l’energia potenziale e cinetica.L’energia potenziale descrive le forze posizionali che agiscono sull’oggetto. Un sasso in cima a una collina ha più energia potenziale di un sasso in pianura perché il sasso sulla collina è più lontano dal centro di massa della Terra. L’energia cinetica è l’energia di un oggetto in movimento.Se un sasso viene spinto dalla collina, perde energia potenziale ma guadagna energia cinetica mentre si muove. Questo vale anche per gli atomi o le molecole che compongono un oggetto. Un oggetto a riposo ha ancora energia cinetica perché i suoi atomi componenti possono vibrare.Questa forma di energia cinetica è chiamata energia termica. Un oggetto ha un’energia cinetica più elevata e di conseguenza un’energia termica maggiore quando gli atomi si muovono più vigorosamente. Questo oggetto è percepito come caldo.Le molecole hanno anche un’energia potenziale chiamata energia chimica, che è associata alla posizione relativa di elettroni e nuclei. Durante una reazione, l’energia chimica viene convertita in altre forme di energia, come la luce, oppure viene rilasciata energia, come sotto forma di calore. La quantità di energia trasformata dipende dalla struttura molecolare dei reagenti.In una lampada a gas, l’acetilene si trasforma in anidride carbonica e acqua, rilasciando una grande quantità di energia sotto forma di luce. D’altra parte, l’aggiunta di idrossido di sodio all’acido cloridrico, rilascia una quantità minore di energia, sotto forma di calore. Per studiare i cambiamenti energetici, ci può aiutare dividere l’universo in un sistema”che contiene il processo osservato, e l’ambiente circostante”che è tutto il resto.Il sistema può essere aperto, il che significa che sia l’energia che la massa possono essere scambiate tra il sistema e l’ambiente circostante. Il sistema può essere chiuso, dove viene scambiata solo energia, oppure il sistema può essere isolato, dove non vengono scambiate né massa né energia.

6.1:

Nozioni di base sull'energia

Le reazioni chimiche, come quelle che si verificano quando si accende una corrispondenza, comportano cambiamenti nell’energia e nella materia.

I cambiamenti chimici e i relativi cambiamenti nell’energia sono parti importanti della vita quotidiana. I macronutrienti nel cibo subiscono reazioni metaboliche che forniscono l’energia per mantenere i corpi funzionanti. Una varietà di combustibili (benzina, gas naturale, carbone) viene bruciata per produrre energia per il trasporto, il riscaldamento e la generazione di elettricità. Le reazioni chimiche industriali utilizzano enormi quantità di energia per produrre materie prime (come ferro e alluminio). L’energia viene quindi utilizzata per produrre tali materie prime in prodotti utili, come automobili, grattacieli e ponti.

Oltre il 90% dell’energia utilizzata dagli esseri umani proviene dal sole. Ogni giorno, il sole fornisce alla terra quasi 10.000 volte la quantità di energia necessaria per soddisfare tutto il fabbisogno energetico del mondo per quel giorno. La sfida rimane quella di trovare modi per convertire e immagazzinare l’energia solare in entrata in modo che possa essere utilizzata in reazioni o processi chimici che siano sia convenienti che non inquinanti. Piante e molti batteri catturano l’energia solare attraverso la fotosintesi. Gli esseri umani rilasciano l’energia immagazzinata nelle piante quando bruciano legno, carbone, petrolio o altri prodotti vegetali come l’etanolo. Usano anche questa energia per alimentare i loro corpi mangiando cibo che proviene direttamente dalle piante.

Termochimica

Le idee di base di un’importante area della scienza che si occupa della quantità di calore assorbito o rilasciato durante i cambiamenti chimici e fisici sono chiamate termochimica. I concetti sono ampiamente utilizzati in quasi tutti i campi scientifici e tecnici. Gli scienziati alimentari usano la termochimica per determinare il contenuto energetico degli alimenti. I biologi studiano l’energia degli organismi viventi, come la combustione metabolica dello zucchero in anidride carbonica e acqua. Le industrie del petrolio, del gas e dei trasporti, i fornitori di energia rinnovabile e molti altri si sforzano di trovare metodi migliori per produrre energia per esigenze commerciali e personali. Gli ingegneri si sforzano di migliorare l’efficienza energetica, trovare modi migliori per riscaldare e raffreddare le case, refrigerare cibo e bevande e soddisfare le esigenze energetiche e di raffreddamento di computer ed elettronica, tra le altre applicazioni. Comprendere i principi termochimici è essenziale per chimici, fisici, biologi, geologi, ogni tipo di ingegnere, e per chiunque studi o faccia qualsiasi tipo di scienza.

Energia

L’energia può essere definita come la capacità di fornire calore o di lavorare. Un tipo di lavoro (w) è il processo di far sì che la materia si muova contro una forza opposta. Ad esempio, quando si gonfia uno pneumatico per biciclette, la materia viene spostata (l’aria nella pompa) contro la forza opposta dell’aria già nello pneumatico.

Come la materia, l’energia è disponibile in diversi tipi. Uno schema classifica l’energia in due tipi: energia potenziale, energia che un oggetto ha a causa della sua posizione relativa, composizione o condizione, ed energia cinetica, l’energia che un oggetto possiede a causa del suo moto.

L’acqua in cima a una cascata o a una diga ha energia potenziale a causa della sua posizione; quando scorre verso il basso attraverso i generatori, ha energia cinetica che può essere utilizzata per lavorare e produrre elettricità in una centrale idroelettrica. Una batteria ha energia potenziale perché le sostanze chimiche al suo interno possono produrre elettricità che può funzionare.

Questo testo è adattato da OpenStax Chemistry 2e, Sezione 5.1: Energy Basics.