Chimica fisica iii
A.A. 2023/2024
Obiettivi formativi
L'obiettivo dell'insegnamento e' di completare la preparazione di base della Chimica Fisica, fornendo una sistematica e dettagliata interpretazione microscopica della termodinamica e dello stato solido della materia, ed una breve esposizione della teoria cinetica dei gas e della sua applicazione ai fenomeni di trasporto e alla cinetica chimica.
Risultati apprendimento attesi
Lo studente acquisira' una buona padronanza della termodinamica di base e del calcolo molecolare delle grandezze termodinamiche, nonche' conoscenze di base dello stato solido della materia, della sua struttura e delle sue proprieta'.
Periodo: Secondo semestre
Modalità di valutazione: Esame
Giudizio di valutazione: voto verbalizzato in trentesimi
Corso singolo
Questo insegnamento può essere seguito come corso singolo.
Programma e organizzazione didattica
Edizione unica
Responsabile
Periodo
Secondo semestre
Programma
Termodinamica statistica: concetti. Necessità della descrizione statistica. Derivazione della distribuzione di Boltzmann e funzione di partizione. Ensemble canonico, configurazioni, pesi, derivazione alternativa della distribuzione di Boltzmann. Proprietà di base. Funzione di partizione molecolare. Variabili meccaniche, energia interna e forze generalizzate; esempi. Entropia, temperatura, energia libera di Helmholtz. Potenziali termodinamici, energia di Gibbs, equazione di Gibbs-Duhem.
Termodinamica Statistica: Applicazioni. Meccanica statistica delle molecole: contributi traslazionali, vibrazionali, rotazionali ed elettronici alla funzione di partizione molecolare. Energie medie, calori specifici, entropia. Gas reali: integrale configurazionale, espansione del viriale, equazione di van der Waals. Equilibrio chimico.
Solidi cristallini. Reticoli, vettori base e celle unitarie. Reticoli di Bravais. Reticolo reciproco, piani reticolari, indici di Miller. Microscopia di scansione a effetto tunnel, microscopia a forza atomica, microscopia di trasmissione elettronica. Diffrazione di raggi X: interferenza, diffrazione, condizione di von Laue, fattore di struttura. Legame ed impaccamento nei solidi: solidi metallici, ionici, covalenti e molecolari. Materiali bi- e mono-dimensionali. Struttura elettronica dei solidi: teoria delle bande, velocità di gruppo, trasporto elettronico. Metalli, semiconduttori e isolanti. Drogaggio nei semiconduttori, giunzione p-n. Proprietà ottiche: modelli di Drude e di Lorentz, permittività dielettrica, propagazione delle onde elettromagnetiche in mezzi dispersivi e assorbenti. Eccitoni e polaroni in fase condensata.
Molecole in moto. Distribuzione di Maxwell-Boltzmann, sezione d'urto, frequenza di collisione, libero cammino medio. Coefficienti di trasporto elementari: coefficiente di diffusione, conducibilità termica, conducibilità elettrica. Equilibrio parziale. Costanti cinetiche stato-a-stato e costanti cinetiche canoniche. Dinamica di reazione: superfici di energia potenziale, dinamica di reazione, cammino di minima energia, stato di transizione, partizionamento dell'energia. Teoria dello stato di transizione.
Termodinamica Statistica: Applicazioni. Meccanica statistica delle molecole: contributi traslazionali, vibrazionali, rotazionali ed elettronici alla funzione di partizione molecolare. Energie medie, calori specifici, entropia. Gas reali: integrale configurazionale, espansione del viriale, equazione di van der Waals. Equilibrio chimico.
Solidi cristallini. Reticoli, vettori base e celle unitarie. Reticoli di Bravais. Reticolo reciproco, piani reticolari, indici di Miller. Microscopia di scansione a effetto tunnel, microscopia a forza atomica, microscopia di trasmissione elettronica. Diffrazione di raggi X: interferenza, diffrazione, condizione di von Laue, fattore di struttura. Legame ed impaccamento nei solidi: solidi metallici, ionici, covalenti e molecolari. Materiali bi- e mono-dimensionali. Struttura elettronica dei solidi: teoria delle bande, velocità di gruppo, trasporto elettronico. Metalli, semiconduttori e isolanti. Drogaggio nei semiconduttori, giunzione p-n. Proprietà ottiche: modelli di Drude e di Lorentz, permittività dielettrica, propagazione delle onde elettromagnetiche in mezzi dispersivi e assorbenti. Eccitoni e polaroni in fase condensata.
Molecole in moto. Distribuzione di Maxwell-Boltzmann, sezione d'urto, frequenza di collisione, libero cammino medio. Coefficienti di trasporto elementari: coefficiente di diffusione, conducibilità termica, conducibilità elettrica. Equilibrio parziale. Costanti cinetiche stato-a-stato e costanti cinetiche canoniche. Dinamica di reazione: superfici di energia potenziale, dinamica di reazione, cammino di minima energia, stato di transizione, partizionamento dell'energia. Teoria dello stato di transizione.
Prerequisiti
Conoscenza della matematica e della fisica di base, con particolare riferimento all'analisi, all'algebra lineare e alla meccanica.
Metodi didattici
Il corso viene erogato attraverso una serie di lezioni frontali di teoria e esercitazioni. Le lezioni sono effettuate con l'ausilio di un programma di presentazione e il materiale è reso disponbile agli studenti. Esercitazioni aggiuntive possono essere fornite su richiesta degli studenti, e trattano la risoluzione di esercizi tipo che si presentano all'esame.
Materiale di riferimento
Libro di testo: P. W. Atkins, Physical Chemistry, Oxford University Press
Slides delle presentazioni sono disponibili al download, come indicato nel sito Ariel dedicato al corso (http://ariel.unimi.it/).
Slides delle presentazioni sono disponibili al download, come indicato nel sito Ariel dedicato al corso (http://ariel.unimi.it/).
Modalità di verifica dell’apprendimento e criteri di valutazione
La verifica dell'apprendimento avviene attraverso una prova scrita comprendente 4 domande a risposta aperta su tutti gli argomenti trattati nel corso, 8 domande a risposta multipla e 2 esercizi numerici di termodinamica statistica. Il tempo a disposizione (3 h) richiede risposte precise e puntuali. In sede di esame. agli studenti verrà fornito un formulario, il cui uso richiede la conoscenza degli argomenti trattati. Nel caso non fosse possibile lo svolgimento della prova in presenza, si utilizzerà la piattaforma exam.net con l'ausilio di un meeting Zoom.
Siti didattici
Docente/i