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Termodinâmica.
Transformação de energia

Energia térmica I combustão.
Efeitos da termodinâmica

Entropia

Termodinâmica química

Termodinâmica química

A termodinâmica química (ou termoquímica) é o ramo da termodinâmica que estuda os efeitos térmicos causados ​​por reações químicas, chamados calor da reação. Portanto, termodinâmica química refere-se às conversões de energia química em energia térmica e vice-versa, que ocorrem durante uma reação e estuda as variáveis ​​a elas relacionadas, como entalpia de ligação, entropia de formação padrão, etc. Todas essas conversões são feitas dentro dos limites das leis da termodinâmica.

Além dos princípios termodinâmicos, existem duas leis que governam toda a disciplina da termoquímica:

  • Lei de Lavoisier e Laplace (formulada em 1780): a transferência de calor que acompanha uma dada reação química é a mesma e contrária à transferência de calor da reação oposta;
  • Lei de Hess (formulada em 1840): a variação da entalpia da reação é a mesma que a reação ocorre em um ou mais estágios sucessivos e independentes (mesmo puramente hipotéticos).

As duas leis foram empiricamente deduzidas e enunciadas antes do primeiro princípio da termodinâmica: no entanto, é possível provar que elas são conseqüências diretas dela, bem como o fato de que a entalpia H e a energia interna U são funções termodinâmicas do estado.

A termodinâmica química envolve não apenas medições laboratoriais de várias propriedades termodinâmicas, mas também a aplicação de métodos matemáticos para o estudo de questões químicas e a espontaneidade dos processos.

Na energia solar fotovoltaica, a termodinâmica química tem relevância especial na carga e descarga de baterias. Durante esse processo, ocorre uma troca entre energia química e eletricidade.

Descrição da termodinâmica química

O principal objetivo da termodinâmica química é o estabelecimento de um critério para determinar a viabilidade ou espontaneidade de uma determinada transformação. Dessa forma, a termodinâmica química é normalmente usada para prever trocas de energia que ocorrem nos seguintes processos: reações químicas, alterações de fase, formação de solução.

As seguintes funções de estado são de interesse primário na termodinâmica química: energia interna (U), entalpia (H), entropia (S), energia livre de Gibbs (G).

A estrutura da termodinâmica química é baseada nas duas primeiras leis da termodinâmica. Da primeira lei da termodinâmica e da segunda lei da termodinâmica, quatro equações chamadas "equações fundamentais de Gibbs" podem ser derivadas. Destas quatro, pode-se derivar uma infinidade de equações, que relacionam as propriedades termodinâmicas do sistema termodinâmico, usando uma matemática relativamente simples. Isso delineia a estrutura matemática da termodinâmica química.

Sistemas termodinâmicos

Na termoquímica, existem várias definições termodinâmicas muito úteis. Um sistema termodinâmico é a porção específica do universo que está sendo estudado. Tudo fora do sistema é considerado ambiente ou ambiente. Um sistema pode ser:

  • Um sistema termodinâmico (completamente) isolado que não pode trocar energia ou matéria com o meio ambiente, como um calorímetro isolado de bomba.
  • Um sistema isolado termicamente que pode trocar trabalho mecânico, mas não calor ou matéria, como um pistão ou balão fechado isolado.
  • Um sistema isolado mecanicamente que pode trocar calor, mas não material de trabalho ou mecânico, como um calorímetro de bomba não isolado
  • Um sistema fechado que pode trocar energia, mas não importa, como um balão ou pistão fechado sem isolamento
  • Um sistema aberto que pode trocar matéria e energia com o meio ambiente, como uma panela de água fervente

Reacções químicas

Na maioria dos casos de interesse em termodinâmica química, existem graus internos de liberdade e processos, como reações químicas e transições de fase. Essas reações químicas sempre criam entropia, a menos que estejam em equilíbrio ou sejam mantidas em equilíbrio contínuo.

Mesmo para materiais homogêneos, as funções de energia livre dependem da composição, assim como todos os potenciais termodinâmicos extensos, incluindo energia interna.

História da termodinâmica química

Em 1865, o físico alemão Rudolf Clausius, em sua Teoria Mecânica do Calor, sugeriu que os princípios da termoquímica, por exemplo, o calor gerado nas reações de combustão, poderiam ser aplicados aos princípios da termodinâmica. Baseado no trabalho de Clausius, entre 1873 e 1876, o físico matemático americano Willard Gibbs publicou uma série de três artigos, o mais famoso foi o documento sobre o equilíbrio de substâncias heterogêneas.

Nesses artigos, Gibbs mostrou como as duas primeiras leis da termodinâmica poderiam ser medidas graficamente e matematicamente para determinar o equilíbrio termodinâmico das reações químicas e suas tendências a ocorrer ou avançar. A coleção de documentos de Gibbs forneceu o primeiro corpo unificado de teoremas termodinâmicos a partir dos princípios desenvolvidos por outros, como Clausius e Sadi Carnot.

No início do século XX, duas importantes publicações aplicaram com sucesso os princípios desenvolvidos por Gibbs aos processos químicos e, assim, estabeleceram os fundamentos da ciência da termodinâmica química. O primeiro foi o livro didático de 1923 Thermodynamics and Chemical Free Energy, de Gilbert N. Lewis e Merle Randall. Este livro foi responsável por suplantar a afinidade química com o termo energia livre no mundo de língua inglesa.

O segundo foi o livro Modern Thermodynamics de 1933, pelos métodos de Willard Gibbs, escrito por EA Guggenheim. Assim, Lewis, Randall e Guggenheim são considerados os fundadores da termodinâmica química moderna devido à grande contribuição desses dois livros para Unifique a aplicação da termodinâmica à química.

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Última revisão: 24 de setembro de 2019