Menu

Termodinàmica.
Transformació de l'energia

Energia tèrmica i combustió.
Efectes de la termodinàmica

Entropia

Termodinàmica química

Termodinàmica química

La termodinàmica química (o termoquímica) és la branca de la termodinàmica que estudia els efectes tèrmics causats per reaccions químiques, anomenats la calor de reacció. Per tant, la termodinàmica química es refereix a les conversions d'energia química en energia tèrmica i viceversa, que tenen lloc durant una reacció i estudia les variables connectades a elles, com l'entalpia d'enllaç, l'entropia de formació estàndard, etc. Totes aquestes conversions es realitzen dins dels límits de les lleis de la termodinàmica.

A més dels principis termodinàmics ha dos lleis regeixen tota la disciplina de la termoquímica:

  • Llei de Lavoisier i Laplace (formulada en 1780): la transferència de calor que acompanya una reacció química donada és igual i contrària a la transferència de calor de la reacció oposada;
  • Llei d'Hess (formulada en 1840): la variació de l'entalpia de reacció és la mateixa que la reacció es produeix en una o més etapes successives i independents (fins i tot purament hipotètiques).

Les dues lleis es van deduir empíricament i es van enunciar abans del primer principi de la termodinàmica: però, pot provar que són conseqüències directes de la mateixa, així com el fet que l'entalpia H i l'energia interna U són funcions termodinàmiques de l'estat.

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.

En l'energia solar fotovoltaica la termodinàmica química té especial rellevància en la càrrega i la descàrrega de bateries. Durant aquest procés s'experimenta un intercanvi entre energia química i electricitat.

Descripció de la termodinàmica química

L'objectiu principal de la termodinàmica química és l'establiment d'un criteri per determinar la factibilitat o espontaneïtat d'una transformació donada. D'aquesta manera, la termodinàmica química s'usa típicament per predir els intercanvis d'energia que tenen lloc en els següents processos: reaccions químiques, canvis de fase, formació de solucions.

Les següents funcions d'estat són d'interès principal en termodinàmica química: energia interna (U), entalpia (H), entropia (S), energia lliure de Gibbs (G).

L'estructura de la termodinàmica química es basa en les dues primeres lleis de la termodinàmica. A partir de la primera llei de la termodinàmica i la segona llei de la termodinàmica, es poden derivar quatre ecuaciones denominades "equacions fonamentals de Gibbs". A partir d'aquests quatre, es poden derivar una multitud d'equacions, que relacionen les propietats termodinàmiques del sistema termodinàmic, usant matemàtiques relativament simples. Això delinea el marc matemàtic de la termodinàmica química.

sistemes termodinàmics

En termoquímica existeixen diverses definicions termodinàmiques molt útils. Un sistema termodinàmic és la porció específica de l'univers que s'està estudiant. Tot el que està fora del sistema es considera entorn o entorn. Un sistema pot ser:

  • Un sistema termodinàmic (completament) aïllat que no pot intercanviar energia ni matèria amb l'entorn, com un calorímetre de bomba aïllat.
  • Un sistema aïllat tèrmicament que pot intercanviar treball mecànic, però no calor o matèria, com un pistó o globus tancat aïllat.
  • Un sistema aïllat mecànicament que pot intercanviar calor, però no treballo o matèria mecànica, com un calorímetre de bomba no aïllat
  • Un sistema tancat que pot intercanviar energia, però no importa, com un globus o pistó tancat sense aïllament
  • Un sistema obert que pot intercanviar matèria i energia amb l'entorn, com una olla d'aigua bullint

reaccions químiques

En la majoria dels casos d'interès a la termodinàmica química, hi ha graus interns de llibertat i processos, com les reaccions químiques i les transicions de fase. Aquestes reaccions químiques sempre creen entropia llevat que estiguin en equilibri o es mantinguin en un equilibri continu.

Fins i tot per materials homogenis, les funcions d'energia lliure depenen de la composició, de la mateixa manera que tots els potencials termodinàmics extensos, inclosa l'energia interna.

Història de la termodinàmica química

En 1865, el físic alemany Rudolf Clausius, si Mechanical Theory of Heat, va suggerir que els principis de la termoquímica, per exemple, la calor generada en les reaccions de combustió, podrien aplicar-se als principis de la termodinàmica. Sobre la base del treball de Clausius, entre els anys 1873-1876 el físic matemàtic nord-americà Willard Gibbs va publicar una sèrie de tres articles, el més famós va ser el document sobre l'equilibri de substàncies heterogènies.

En aquests articles, Gibbs va mostrar com les dues primeres lleis de la termodinàmica podria mesurar-se gràfica i matemàticament per determinar tant l'equilibri termodinàmic de les reaccions químiques com les seves tendències a ocórrer o avançar. La col·lecció de documents de Gibbs va proporcionar el primer cos unificat de teoremes termodinàmics a partir dels principis desenvolupats per altres, com Clausius i Sadi Carnot.

A principis del segle XX, dues publicacions importants van aplicar amb èxit els principis desenvolupats per Gibbs als processos químics, i així van establir els fonaments de la ciència de la termodinàmica química. El primer va ser el llibre de text de 1923 Termodinàmica i l'Energia Lliure de Substàncies Químiques de Gilbert N. Lewis i Merle Randall. Aquest llibre va ser responsable de suplantar l'afinitat química amb el terme energia lliure en el món de parla anglesa.

El segon va ser el llibre de 1933 Modern Thermodynamics pels mètodes de Willard Gibbs, escrit per EA Guggenheim .. D'aquesta manera, Lewis, Randall i Guggenheim són considerats els fundadors de la termodinàmica química moderna a causa de la gran contribució d'aquests dos llibres per a unificar l'aplicació de la termodinàmica a la química.

valoración: 3 - votos 1

Última revisió: 24 de setembre de 2019