Segon principi de la termodinàmica

El segon principi de la termodinàmica s’introdueix a fi de poder preveure la direccionalitat i espontaneïtat d’una reacció química.

El segon principi de la termodinàmica diu que tots els sistemes tendeixen sempre a tenir major desordre.

Exemples del segon principi de la termodinàmica

La conservació de l'energia no ho és tot.

L'univers tendeix a l'estat de desordre.

L'energia es degrada i no tota és útil.

Enunciat del segon principi de la termodinàmica

Quan l’energia es transforma, se’n conserva la quantitat però en disminueix la qualitat de manera inevitable.

Aquesta disminució es mesura amb l’augment irreversible d’una magnitud coneguda amb el nom d’entropia.

Els processos espontanis que es produiran seran aquells en els qual l'entropia de l'univers augmenti.

Entropia

L’entropia és una nova funció termodinàmica que s’introdueix amb el segon principi.

ΔS (variació d’entropia): funció d’estat extensiva que mesura el desordre del sistema

L’entropia d’un sistema es relaciona amb el seu grau de desordre. Es pot saber si un procés va acompanyat d’un augment d’entropia simplement analitzant el grau de desordre de l’estat inicial i de l’estat final.

Entropia

Aquesta magnitud expressa també el grau de desordre molecular d’un sistema: quant més gran és el desordre d'un sistema més gran és la seva entropia. En una mateixa substància:

Ssòlid

< Slíquid

< Sgas

.

ΔS : És el quocient entre la calor bescanviada en un procés i la temperatura a la qual es produeix l'intercanvi.

ΔS=ΔQT

∫=−=∆ 21

rev12 T

QSSS

d

Entropia molar estàndard

És una mesura del grau de desordre d'un mol d'un compost a 1 bar i a 25oC.

S'expressa en J·K-1·mol -1 i són dades tabulades que es necessiten per calcular l'entropia molar estàndard d'una reacció.

Tercer principi: l'entropia d'un sòlid cristal·lí perfecte és zero en el zero absolut.

Això implica que totes les entropies són positives: S>0

Smo

Entropia d'una reacció

L'entropia estàndard d'una reacció es calcula a partir de les entropies dels reactius i dels productes.

Si l'increment d'entropia és positiu, els productes presenten un major desordre molecular que els reactius. Hi ha una relació entre l'entropia i l'espontaneïtat d'una reacció química.

Càlcul de l'entropia d'una reacció

L'expressió que dóna l'entropia de reacció ve donada per:

)reac(S)prod(SS o

reacreac

o

prodprod

o ∑−∑=∆ νν

Exercicis d'entropia (pàg 125)

14. a) En la formació de triòxid de sofre es produeix un augment d’entropia perquè el sofre es troba inicialment en estat sòlid, i té una estructura més ordenada que el producte final en estat gasós i, per tant, menys ordenat.

2S(s)

+ 3O2 (g)

2SO3 (g)

b) En la fusió de l’aigua es produeix un augment del desordre del sistema i de l’entropia. Les molècules en l’estat sòlid estan més ordenades que quan es troben en estat líquid.

Exercicis d'entropia (pàg 125)

14. c) En la combustió de l’hidrogen es produeix un augment de l’organització del sistema; el nombre de molècules en estat gasós disminueix, passant de tres molècules gasoses a només dues molècules gasoses, i per tant l’entropia disminueix:

2H2(g)

+ O2 (g)

2H2O

(g)

d) En la formació del sulfat de coure es forma una estructura cristal·lina ordenada amb disminució de l’entropia del sistema.

Exercicis d'entropia (pàg 125)

15. És falsa, ja que llavors seria impossible, per exemple, refredar un cos, ordenar un sistema, etc. El que passa és que una transformació així no es pot fer mai de manera espontània, sinó que ha de ser provocada. En aquesta transformació l’entropia del sistema pot disminuir, però l’entropia total de l’univers creix, tal com exigeix el segon principi de la termodinàmica.

ΔS univers

= ΔS sistema

+ ΔS entorn

Exercicis d'entropia (pàg 125)

16. Segons el segon principi de la termodinàmica, en tota transformació espontània l’entropia o el desordre del sistema augmenta.

En el cas de l’univers, totes les transformacions naturals són espontànies, i per tant, l’entropia, és a dir, el desordre, tendeix cap a un màxim.

Exercicis d'entropia (pàg 125)

17. En l’explosió de la nitroglicerina es produeix un gran augment d’entropia en passar d’un mol de reactiu en estat líquid a més mols de productes gasosos. L’alliberament d’aquests gasos i de la calor origina una ona expansiva de gran energia, responsable de la potència destructora de l’explosiu.

Exercicis d'entropia (pàg 125)

18. En la síntesi d’amoníac es produeix una reorganització de molècules; de quatre molècules gasoses es passa a només dues molècules en estat gasós, i s’origina una disminució d’entropia, ja que disminueix el desordre molecular.

Sol: −99,3 J·K-1·mol -1

Exercicis d'entropia (pàg 125)

19. Sol: −160,4 J·K-1·mol -1

20. a) En la reacció d’obtenció de l’aigua líquida es forma una substància en estat líquid a partir de dos elements en estat gasós, per tant, es produeix una disminució de l’entropia perquè és un procés en què hi ha una disminució del desordre.

b) Es tracta d’una reacció en la qual es produeix un augment de l’entropia. Es produeix un augment del desordre en passar d’un estat sòlid més ordenat a un estat gasós més desordenat.

Exercicis d'entropia (pàg 125)

20. En aquesta reacció es produeix una disminució de l’entropia. L’estat final és més ordenat que els inicials.

Ag+(aq)

+ Cl- (aq)

AgCl (s)

Energia lliure de Gibbs (G)

Funció d’estat

Propietat extensiva

Unitats: J

G = H – TS ó ∆G = ∆H – T∆S

Si ∆G < 0 procés irreversible i és espontani

Si ∆G > 0 procés no espontani

Si ∆G = 0 procés reversible

Energia lliure de Gibbs (G)

∆H ∆S ∆G Exemples

∆H<OExotèrmica

∆S>ODesordre

∆G<OEspontània

Descomposició del monòxid de dinitrogen

∆H<OExotèrmica

∆S<ODesordre

Depèn de TSi l T ∆S l< l ∆H lEspontània T<Tequ

Síntesi de l'amoníac assolit l'equilibri

∆H>OEndotèrmica

∆S>ODesordre

Depèn de TSi l T ∆S l> l ∆H lEspontània T>Tequ

Descomposició del carbonat de calci

∆HZOEndotèrmica

∆S<ODesordre

∆G>ONo espontània

Formació de carbohidrats per les plantes