La termodinàmica química és una branca fonamental de la química que se centra en lestudi de les transformacions energètiques que ocorren durant les reaccions químiques. Aquesta disciplina proporciona les eines i els conceptes necessaris per comprendre com s'intercanvia l'energia entre els sistemes químics i com es pot predir el curs d'una reacció. Aquest concepte també es coneix com a termoquímica.
Per tant, la termodinàmica química es refereix a les conversions d'energia química en energia tèrmica i viceversa, que tenen lloc durant una reacció entre substàncies amb afinitat química i estudia les variables connectades a elles.
La relació entre termodinàmica i energia inclou els canvis físics de la matèria. Totes aquestes conversions es fan dins dels límits de les lleis de la termodinàmica.
-
L'energia de l'univers és constant: la primera llei de la termodinàmica.
-
En qualsevol procés espontani sempre hi ha un augment en l'entropia de l'univers: segona llei de la termodinàmica.
-
L´entropia d´un vidre perfecte (ben ordenat) a 0 Kelvin és zero: tercera llei de la termodinàmica.
La termodinàmica química implica no només mesuraments de laboratori de diverses propietats termodinàmiques, sinó també l'aplicació de mètodes matemàtics per a l'estudi de preguntes químiques i l'espontaneïtat dels processos.
Els inicis de la termodinàmica química sorgeixen en el treball de Josiah Willard Gibbs "Sobre l'equilibri de substàncies heterogènies" (1878).
Conceptes bàsics de la termoquímica
Alguns dels conceptes clau inclouen:
1. Energia Interna (U)
L'energia interna d'un sistema químic es refereix a l'energia total continguda al sistema, incloent-hi l'energia cinètica i el potencial de les partícules que el componen. El canvi en l'energia interna d'un sistema durant una reacció s'anomena ΔU.
2. Entalpia (H):
L'entalpia és una funció termodinàmica que representa la quantitat d'energia tèrmica absorbida o alliberada per un sistema durant una reacció a pressió constant. Es denota com a H i està relacionada amb l'energia interna per l'equació:
H=U+PV
On P és la pressió i V és el volum del sistema.
3. Llei de conservació de l'energia
Aquesta llei, també coneguda com la primera llei de la termodinàmica, estableix que l'energia no es crea ni es destrueix, sinó que es transfereix o es converteix d'una manera a una altra. En el context de la termodinàmica química, aquesta llei s'aplica a les reaccions químiques on l'energia no es perd, sinó que es redistribueix entre les substàncies involucrades.
4. Llei de Hess
La llei de Hess estableix que el canvi d'entalpia en una reacció química depèn únicament dels estats inicial i final dels reactius i productes, i no de la ruta seguida per assolir aquests estats. Això permet calcular ΔH per a una reacció química a partir de les entalpies de formació dels reactius i productes.
Termodinàmica i reaccions químiques
La termodinàmica química s'aplica sovint a l'estudi de reaccions químiques, permetent determinar si una reacció és factible des del punt de vista energètic i sota quines condicions. Alguns conceptes clau relacionats amb les reaccions químiques i la termodinàmica són:
- Energia d'activació: L'energia d'activació és l'energia mínima que les partícules han de tenir perquè hi hagi una reacció química. La termodinàmica se centra en la diferència entre lenergia dactivació i lenergia total alliberada o absorbida en una reacció.
- Equilibri químic: En un sistema en equilibri, l'energia lliure és mínima i no hi ha canvis nets a les concentracions dels reactius i productes.
- Llei de Le Chatelier: Aquesta llei descriu com un sistema en equilibri respon a canvis en la concentració, la pressió o la temperatura.
- Energia lliure de Gibbs (ΔG): L'energia lliure de Gibbs és una mesura de la disponibilitat d'energia per fer treball útil durant una reacció química. ΔG és un indicador de si una reacció és espontània (ΔG negatiu) o no (ΔG positiu).