Facoltà di Scienze Matematiche Fisiche Naturali

Corso di Laurea Specialistica in Biotecnologie Molecolari

Programma del Corso di Chimica Fisica dei Sistemi Biologici

Prof. Luciano D’Alessio

 

 

Obiettivi formativi

 

Il corso si propone di fornire gli strumenti concettuali e metodologici della termodinamica, della cinetica e della strutturistica molecolare, con particolare riferimento alle applicazioni biologiche e mediche.

 

Oltre a conoscere i contenuti propri della disciplina, gli studenti dovranno acquisire le tecniche di modellizzazione fisico-matematica dei sistemi complessi e la loro simulazione al computer utilizzando programmi commerciali e risorse di rete.

 

Il conseguimento dei crediti è subordinato allo sviluppo di un breve progetto o elaborato originale su una tematica scelta dallo studente, e concordata con il docente, documentato mediante consultazione della letteratura internazionale e di qualificati siti web.

 

 

Termodinamica classica

 

         Materia ed energia, sistemi termodinamici, variabili di stato, stati di equilibrio, funzioni di stato, principio zero, equazione di stato, superficie caratteristica, gas perfetto, gas reali, interazioni intermolecolari, fattore di compressibilità, equazioni di stato del viriale, equazione di Van der Waals, parametri critici, variabili ridotte, stati corrispondenti.

 

         Primo principio, energia interna, lavoro, calore, calore specifico, calore molare, coefficienti di espansione termica e di compressibilità isoterma, entalpia, cicli termodinamici, dipendenza dell’energia interna e dell’entalpia dalle variabili di stato, processi isotermi e adiabatici, coefficiente di compressibilità adiabatica, velocità del suono in un gas, espansione isoentalpica, coefficiente di Joule-Thompson, curva d’inversione, liquefazione dei gas, trasformazioni politropiche.

 

         Termochimica, legge di Hess, equazioni termochimiche, cicli termochimici, entalpia standard di reazione, entalpia di formazione, entalpia di combustione, entalpia di atomizzazione, entalpia di legame, equazione di Kirchhoff e sua integrazione.

 

         Trasformazioni reversibili e irreversibili, secondo principio, macchine termiche e macchine frigorifere, rendimento, coefficiente di prestazione, ciclo di Carnot, entropia e probabilità, dipendenza dell’entropia dalle variabili di stato, terzo principio, entropia assoluta, lavoro massimo, energia libera ed entalpia libera, bioenergetica, ciclo dell’ATP.

 

         Condizioni di equilibrio, equilibri di fase, diagrammi di stato, equazione di Clausius-Clapeyron e sua integrazione, potenziale chimico, interfase liquido-vapore, tensione superficiale, variazione di energia libera standard di una reazione, equilibrio chimico, fugacità, attività, stati di riferimento, dipendenza dell’energia libera dalle variabili di stato, equazione di Gibbs-Helmholtz, equazione di van’t Hoff e sua integrazione, funzioni di Giauque, compilazioni di dati termodinamici, calcolo assoluto dell’equilibrio chimico.

 

 

Strutturistica chimica

 

Crisi della meccanica classica, radiazione del corpo nero, effetto fotoelettrico, effetto Compton, quantizzazione dell’energia, spettroscopia e struttura dell’atomo.

 

Natura ondulatoria della materia, onde stazionarie, funzioni d’onda, equazione di Schrodinger, problemi quantistici risolubili esattamente, particella libera, particella nella scatola, oscillatore armonico, effetto tunnell, rotatore rigido, atomo d’idrogeno, atomi polielettronici, molecole biatomiche e poliatomiche, metodi di approssimazione.

 

Elementi di meccanica quanto-relativistica, trasformazioni di Lorenz, quadrivettori, norma, cono di luce, massa ed energia, prove sperimentali, equazione di Dirac, positroni e anti-materia, effetti relativistici in chimica.

 

 

Termodinamica statistica

 

         Equilibrio statistico, velocità molecolari, distribuzione di Maxwell-Boltzmann, verifiche sperimentali, urti molecolari, effusione gassosa, equazione di Knundsen e sue applicazioni, teoria cinetica dei fenomeni di trasporto.

 

         Probabilità termodinamica nella statistica di Boltzmann, formula di Stirling, popolazione di equilibrio, moltiplicatori di Lagrange, funzione di ripartizione, calcolo statistico delle funzioni termodinamiche di un gas perfetto.

 

         Funzione di ripartizione traslazionale, equazione di Sackur-Tetrode, fattorizzazione della funzione di ripartizione, contributi interni, rotazione delle molecole biatomiche, quantizzazione del momento angolare, funzione di ripartizione rotazionale, rotazione delle molecole poliatomiche, momenti principali d’inerzia, numero di simmetria.

        

         Vibrazione delle molecole biatomiche, livelli energetici vibrazionali, funzione di ripartizione vibrazionale, vibrazione delle molecole poliatomiche, modi normali di vibrazione, funzione di ripartizione elettronica, termini spettroscopici, cenni sulle statistiche quantistiche, gas di bosoni e di fermioni.

 

 

Cinetica chimica

 

Velocita` di reazione, ordine di reazione, meccanismo, molecolarita`, reazioni di ordine zero, primo, secondo, tempo di dimezzamento, decadimento radioattivo, datazione con radiocarbonio, polarimetria, inversione del saccarosio, reazioni parallele, consecutive, opposte, equazione di Arrhenius, energia di attivazione, teoria dello stato di transizione, catalisi omogenea, eterogenea, enzimatica.

 

Sistemi oscillanti, reazione di Belousov-Zhabotinsky, modello di Lotka-Volterra, caos deterministico, effetto farfalla, esponenti di Ljapunov, determinismo e irreveribilità.

 

         Sistemi disordinati, elementi di geometria frattale, curva di Koch, polvere di Cantor, tappeto di Sierpinski, spugna di Menger, dimensione frattale e sua determinazione, analisi d'immagini, simulazioni al computer, variabili aleatorie, generatori di numeri casuali, metodi di Monte Carlo, aggregazione, percolazione, moto Browniano, diffusione nei mezzi disordinati, cenni sulla termodinamica dei sistemi complessi, strutture dissipative.

 

 

 

 

 

Testo consigliato

 

    P. Atkins, J. de Paula, Physical Chemistry for the Life Sciences, Oxford University Press, 2006.

  

Letture consigliate

 

 1) S. Carra', La formazione delle strutture, Bollati Boringhieri, 1989.

 

 2) M. L. Dalla Chiara, G. Toraldo di Francia, Introduzione alla filosofia della scienza, Laterza, 1999.

 

 3) G. Gamov, Trent'anni che sconvolsero la fisica, La storia della teoria dei quanti, Zanichelli, 1993.

 

 4) R. Gilmore, Alice nel paese dei quanti, Cortina, 1996.

 

 5) J. Gleick, Caos, La nascita di una nuova scienza, Rizzoli, 1989.

 

 6) D. R. Hofstadter, Godel, Escher, Bach, Un'eterna ghirlanda brillante,   Adelphi, 1990.

 

 7) B. B. Mandelbrot, Gli oggetti frattali, Einaudi, 1987.

 

 8) P. Musso, Filosofia del caos, Franco Angeli, 1997.

 

 9) I. Peterson, Il turista matematico, Rizzoli 1991.

 

 10) K. R. Popper, Logica della scoperta scientifica, Einaudi, 1995.

 

 11) I. Prigogine, I. Stengers, La nuova alleanza, Metamorfosi della  scienza, Einaudi 1993.

 

 12) B. Sapoval, Universalites et fractales, Flammarion, 1997.

 

 13) I. Stewart, Dio gioca a dadi ?, Bollati Boringhieri, 1993.

 

 14) S. H. Strogatz, Nonlinear dynamics and chaos, With applications to physics, biology, chemistry and engineering, Addison Wesley, 1994.

 

 15) A. Vulpiani, Determinismo e caos, Nuova Italia Scientifica, 1994.