La termodinámica química es el estudio de la interrelación entre la química y la termodinámica. Este concepto también se conoce como termoquímica.
Por lo tanto, la termodinámica química se refiere a las conversiones de energía química en energía térmica y viceversa, que ocurren durante una reacción entre sustancias con afinidad química y estudia las variables conectadas a ellas. La relación entre termodinámica y la energía incluye los cambios físicos de la materia.
Todas estas conversiones se realizan dentro de los límites de las leyes de la termodinámica.
La energía del universo es constante: primera ley de la termodinámica.
En cualquier proceso espontáneo, siempre hay un aumento en la entropía del universo: segunda ley de la termodinámica.
La entropía de un cristal perfecto (bien ordenado) a 0 Kelvin es cero: tercera ley de la termodinámica.
La termodinámica química implica no sólo mediciones de laboratorio de varias propiedades termodinámicas, sino también la aplicación de métodos matemáticos para el estudio de preguntas químicas y la espontaneidad de los procesos.
Los inicios de la termodinámica química surgen en el trabajo de Josiah Willard Gibbs " Sobre el equilibrio de sustancias heterogéneas " (1878).
Un ejemplo de aplicación de la termodinámica química es en el calor generado durante la carga y descarga de las baterías solares de una instalación fotovoltaica.
¿Cuáles son las leyes de la termoquímica?
Además de los principios termodinámicos existen dos leyes rigen toda la disciplina de la termoquímica:
Ley de Lavoisier y Laplace (formulada en 1780): la transferencia de calor que acompaña a una reacción química dada es igual y contraria a la transferencia de calor de la reacción opuesta;
Ley de Hess (formulada en 1840): la variación de la entalpía de reacción es la misma que la reacción se produce en una o más etapas sucesivas e independientes (incluso puramente hipotéticas).
Las dos leyes se dedujeron empíricamente y se enunciaron antes del primer principio de la termodinámica: sin embargo, puede probar que son consecuencias directas de la misma, así como el hecho de que la entalpía H y la energía interna U son funciones termodinámicas del estado.
Descripción de la termodinámica química
El objetivo principal de la termodinámica química es el establecimiento de un criterio para determinar la factibilidad o espontaneidad de una transformación dada. De esta manera, la termodinámica química se usa típicamente para predecir los intercambios de energía que ocurren en los siguientes procesos: reacciones químicas, cambios de fase, formación de soluciones.
Los principales procesos termodinámicos en una reacción entre sustancias químicas más importantes son los siguientes:
Proceso isobárico: tiene lugar a presión constante.
Proceso isocórico: el volumen permanece constante.
Proceso isotérmico: tiene lugar a temperatura constante.
Proceso adiabático: es un proceso en el que no hay transferencia de calor.
Proceso isentrópico: tiene lugar a entropía constante.
Las siguientes funciones de estado son de interés principal en termodinámica química: energía interna (U), entalpía (H), entropía (S), energía libre de Gibbs (G).
La estructura de la termodinámica química se basa en las dos primeras leyes de la termodinámica. A partir de la primera ley de la termodinámica y la segunda ley de la termodinámica, se pueden derivar cuatro ecuaciones denominadas "ecuaciones fundamentales de Gibbs".
A partir de estos cuatro, se pueden derivar una multitud de ecuaciones, que relacionan las propiedades termodinámicas del sistema termodinámico, usando matemáticas relativamente simples. Esto delinea el marco matemático de la termodinámica química.
¿Qué es un sistema termodinámico?
Un sistema termodinámico es la porción específica del universo que se está estudiando. Todo lo que está fuera del sistema se considera entorno o entorno. Un sistema puede ser:
Un sistema termodinámico (completamente) aislado que no puede intercambiar energía ni materia con el entorno, como un calorímetro de bomba aislado.
Un sistema aislado térmicamente que puede intercambiar trabajo mecánico, pero no calor o materia, como un pistón o globo cerrado aislado.
Un sistema aislado mecánicamente que puede intercambiar calor, pero no trabajo o materia mecánica, como un calorímetro de bomba no aislado.
Un sistema cerrado que puede intercambiar energía, pero no importa, como un globo o pistón cerrado sin aislamiento.
Un sistema abierto que puede intercambiar materia y energía con el entorno, como una olla de agua hirviendo.
