A termodinâmica química é o estudo da inter-relação entre química e termodinâmica. Este conceito também é conhecido como termoquímica.
Portanto, termodinâmica química refere-se às conversões de energia química em energia térmica e vice-versa, que ocorrem durante uma reação entre substâncias com afinidade química e estuda as variáveis a elas ligadas. A relação entre termodinâmica e energia inclui as mudanças físicas da matéria.
Todas essas conversões são realizadas dentro dos limites das leis da termodinâmica.
A energia do universo é constante: primeira lei da termodinâmica.
Em qualquer processo espontâneo, há sempre um aumento na entropia do universo: segunda lei da termodinâmica.
A entropia de um cristal perfeito (bem ordenado) a 0 Kelvin é zero: terceira lei da termodinâmica.
A termodinâmica química envolve não apenas medições laboratoriais de várias propriedades termodinâmicas, mas também a aplicação de métodos matemáticos ao estudo de questões químicas e da espontaneidade dos processos.
Os primórdios da termodinâmica química surgem no trabalho de Josiah Willard Gibbs "Sobre o equilíbrio de substâncias heterogêneas" (1878).
Um exemplo da aplicação da termodinâmica química está no calor gerado durante o carregamento e descarregamento de baterias solares em uma instalação fotovoltaica.
Quais são as leis da termoquímica?
Além dos princípios termodinâmicos, existem duas leis que regem toda a disciplina da termoquímica:
Lei de Lavoisier e Laplace (formulada em 1780): a transferência de calor que acompanha uma dada reação química é igual e oposta 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 uma ou mais etapas sucessivas e independentes (mesmo puramente hipotéticas).
As duas leis foram derivadas empiricamente e enunciadas antes da primeira lei da termodinâmica: no entanto, você pode provar que são consequências diretas dela, bem como o fato de que a entalpia H e a energia interna U são funções termodinâmicas de estado.
Descrição da termodinâmica química
O principal objetivo da termodinâmica química é o estabelecimento de um critério para determinar a viabilidade ou espontaneidade de uma dada transformação. Desta forma, a termodinâmica química é normalmente usada para prever as trocas de energia que ocorrem nos seguintes processos: reações químicas, mudanças de fase, formação de soluções.
Os principais processos termodinâmicos em uma reação entre as substâncias químicas mais importantes são os seguintes:
Processo isobárico: ocorre a pressão constante.
Processo isocórico: o volume permanece constante.
Processo isotérmico: ocorre a temperatura constante.
Processo adiabático: é um processo em que não há transferência de calor.
Processo isentrópico: ocorre com entropia constante.
As seguintes funções de estado são de interesse primário em 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.
Destes quatro, uma infinidade de equações podem ser derivadas, relacionando as propriedades termodinâmicas do sistema termodinâmico, usando matemática relativamente simples. Isso descreve a estrutura matemática da termodinâmica química.
O que é um sistema termodinâmico?
Um sistema termodinâmico é a porção específica do universo que está sendo estudada. Tudo o que está 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 ambiente, como um calorímetro de bomba isolada.
Um sistema isolado termicamente que pode trocar trabalho mecânico, mas não calor ou matéria, como um pistão ou balão fechado isolado.
Um sistema mecanicamente isolado que pode trocar calor, mas não trabalho ou matéria mecânica, como um calorímetro de bomba não isolado.
Um sistema fechado que pode trocar energia, mas não importa, como um balão fechado ou pistão sem isolamento.
Um sistema aberto que pode trocar matéria e energia com o ambiente, como uma panela de água fervente.
