La termodinàmica química és lestudi de la interrelació entre la química i la termodinàmica. 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).
Un exemple d'aplicació de la termodinàmica química és a la calor generada durant la càrrega i descàrrega de les bateries solars d'una instal·lació fotovoltaica.
Quines són les lleis de la termoquímica?
A més dels principis termodinàmics hi ha dues lleis regeixen tota la disciplina de la termoquímica:
Llei de Lavoisier i Laplace (formulada el 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 de Hess (formulada el 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.
Descripció de la termodinàmica química
L'objectiu principal de la termodinàmica química és establir un criteri per determinar la factibilitat o espontaneïtat d'una transformació donada. D'aquesta manera, la termodinàmica química es fa servir típicament per predir els intercanvis d'energia que ocorren en els processos següents: reaccions químiques, canvis de fase, formació de solucions.
Els principals processos termodinàmics en una reacció entre substàncies químiques més importants són els següents:
Procés isobàric: té lloc a pressió constant.
Procés isocòric: el volum roman constant.
Procés isotèrmic: té lloc a temperatura constant.
Procés adiabàtic: és un procés en què no hi ha transferència de calor.
Procés isentròpic: té lloc a entropia constant.
Les funcions d'estat següents 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 equacions anomenades "equacions fonamentals de Gibbs".
A partir d'aquests quatre, es poden derivar una multitud d'equacions, que relacionen les propietats termodinàmiques del sistema termodinàmic, fent servir matemàtiques relativament simples. Això delinea el marc matemàtic de la termodinàmica química.
Què és un sistema termodinàmic?
Un sistema termodinàmic és la porció específica de lunivers que sestà estudiant. Tot allò 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 lentorn, com un calorímetre de bomba aïllat.
Un sistema aïllat tèrmicament que pot intercanviar treball mecànic, però no calor o matèria, com ara un pistó o globus tancat aïllat.
Un sistema aïllat mecànicament que pot intercanviar calor, però no treball o matèria mecànica, com un calorímetre de bomba no aïllat.
Un sistema tancat que pot intercanviar energia, però tant se val, com un globus o pistó tancat sense aïllament.
Un sistema obert que pot intercanviar matèria i energia amb lentorn, com una olla daigua bullint.
