QUIZ DI "CINETICA E TERMODINAMICA" - NAZIONALI CATEGORIA B

Per spostare l’equilibrio di una reazione esotermica verso i reagenti, è necessario aumentare la temperatura. Questo principio è basato sul fatto che in una reazione esotermica, che rilascia calore, l'equilibrio si sposta verso i reagenti quando la temperatura viene aumentata. Questo avviene poiché l'aumento della temperatura fornisce più calore al sistema, che cerca di compensare consumando il calore aggiuntivo.

In altre parole, quando alziamo la temperatura in una reazione esotermica, l'equilibrio cerca di ripristinare la condizione precedente spostandosi nella direzione che assorbe calore, ossia nella direzione dei reagenti. Pertanto, per spostare l'equilibrio verso i reagenti in una reazione esotermica, è necessario aumentare la temperatura (Risposta A).

Questo principio è fondamentale nella comprensione del comportamento delle reazioni chimiche e si basa sul principio di Le Chatelier.

La cinetica del primo ordine segue l'equazione:

ln(A₀/A) = kt

dove:

• A₀ è la concentrazione iniziale della sostanza,
• A è la concentrazione al tempo t,
• k è la costante cinetica del primo ordine,
• t è il tempo trascorso.

Il problema ci fornisce il tempo di dimezzamento (t_1/2), che è il tempo necessario per ridurre la concentrazione a A₀/2. Questo tempo è dato come 1 minuto e 35 secondi, che è equivalente a 95 secondi.

Quindi, possiamo utilizzare questa informazione per calcolare la costante cinetica (k):

k = ln(2)/t_1/2 = ln(2)/95 ≈ 7.3 × 10^-3

Ora, dobbiamo trovare il tempo (t) necessario per ridurre la concentrazione a A₀/3. L'equazione cinetica del primo ordine può essere riscritta come:

ln(A₀/A) = kt

Quando A = A₀/3, possiamo sostituire questo valore nell'equazione e risolvere per t:

ln(3) = kt

t = ln(3)/k

Sostituendo i valori calcolati precedentemente, otteniamo:

t = ln(3)/7.3 × 10^-3 ≈ 150 secondi

Che è equivalente a 2 minuti e 30 secondi. Pertanto, la risposta corretta è la B) due minuti e mezzo.

La soluzione parte dall'applicazione del primo principio della termodinamica, che afferma che la variazione di energia interna (ΔU) di un sistema è uguale al calore (Q) scambiato con il sistema e al lavoro (W) fatto dal sistema:

ΔU = Q + W

Nel caso di un ciclo termodinamico, come quello descritto nella domanda, la variazione di energia interna è nulla (ΔU = 0), poiché il sistema ritorna al suo stato iniziale alla fine del ciclo. Quindi, si ha:

Q + W = 0

Successivamente, considerando il flusso di calore tra i due serbatoi a temperature diverse (T_F) e (T_C), si utilizza l'equazione:

Q_F + Q_C + W = 0 ]

Dove Q_F è il calore assorbito dal serbatoio freddo (a temperatura T_F), Q_C è il calore ceduto al serbatoio caldo (a temperatura T_C), e W è il lavoro compiuto dal sistema. In questo caso, Q_C è negativo poiché il calore viene ceduto dal sistema.

La domanda specifica che il sistema preleva 400 kJ di calore (Q_F) dal serbatoio freddo e assorbe 200 kJ di lavoro (W). Sostituendo questi valori nell'equazione e risolvendo per Q_C, otteniamo:

Q_C = -(Q_F + W) = -(400 + 200) = -600 kJ

La risposta è quindi Q_C = -600 kJ, e la risposta corrispondente nelle opzioni proposte è la A) -600 kJ. Questo indica che il sistema cede 600 kJ di calore al serbatoio caldo a temperatura T_C. La negatività del valore indica che il calore viene ceduto dal sistema al serbatoio caldo, come atteso nel processo di raffreddamento.