Conceptes bàsics de termodinàmica

La termodinàmica és la ciència que tracta els canvis d’energia que es produeixen en els processos físics i químics

La termoquímica és la part de la química que tracte els canvis de calor que s’esdevenen en les reaccions químiques.

Per poder analitzar amb rigor els intercanvis d’energia, cal establir prèviament alguns conceptes bàsics:

Sistema i entorn

Variables Termodinàmiques

Funcions d’estat

Processos termoquímics

Sistema i entorn

Un sistema termodinàmic és una part de l’univers que se separa arbitràriament de la resta mitjançant uns límits definits, reals o ficticis, per tal de convertir-la en objecte d’alguna invertigació

Variables termodinàmiques

Les variables o propietats termodinàmiques d’un sistema són les magnituds utilitzades per a descriure’l

Les variables termodinàmiques poden ser extensives o intensives.

Funcions d’estat

Són les variables termodinàmiques el valor de les quals tan sols depèn de l’estat actual del sistema i no del procediment segons el qual aquest sistema ha arribat a aquest estat

La pressió, el volum i la temperatura són funcions d’estat perquè les variacions que experimenten només depenen de l’estat inicial i final del sistema

El calor i el treball no són funció d’estat perquè el seu valor depèn del mecanisme o del camí a través del qual el sistema passa d’un estat inicial a un de final

Processos termodinàmics

Un procés termodinàmic és una transformació en la qual un sistema intercanvia energia amb el seu entorn, de manera que passa d’un estat inicial d’equilibri a un estat final d’equilibri

Principi de conservació de l’energia

L’energia no es crea ni es destrueix sinó que únicament es transforma. Aquest principi es compleix en qualsevol reacció química.

Per poder estudiar la quantitat d’energia que es produeix en una reacció química s’utilitza una bomba calorimètrica.

Primer principi de la termodinàmica

L’aplicació del principi de conservació de l’energia als processos termodinàmics ens porta a relacionar:

Per una banda el treball i la calor que intercanvia el sistema amb el seu entorn

Per l’altra l’energia que emmagatzema el sistema que anomenem energia interna U

La variació d’energia interna ∆U, d’un sistema és igual a la suma de la calor Q, intercanviada entre el sistema i el seu entorn i el treball W, realitzat pel sistema o sobre seu

∆U = Q + W en què ∆U = U – U0

Intercanvi de calor i treball

Per poder determinar quantitativament la variació d’energia interna d’un sistema hem de tenir en compte el signe assignat a cada variable per conveni

Procés endotèrmic i exotèrmic

Treball de pressió- volum

Si el desplaçament de l’èmbol és ∆r, la variació de volum serà:

∆V = S.∆r → .∆r = ∆V/S

La força exercida sobre l’èmbol és igual i de sentit contrari a l’exercida per la pressió atmosfèrica

F = P.S

El treball d’expansió del gas a pressió constant té signe negatiu, ja que el realitza el sistema, i es pot calcular

W = -F.∆r = -P.S.∆V/S = -P∆V

Aplicació del primer principi a processos isotèrmics

Aplicació del primer principi a processos adiabàtics

Aplicació del primer principi a processos isocors

Aplicació del primer principi a processos isobàric

Relació entre calor a volum constant i calor a pressió constant

∆H = ∆U + P∆V ∆H = ∆U + ∆nRT Qp = Qv + ∆nRT

Variació d’entalpia en processos endotèrmics i exotèrmics

Equacions termoquímiques

Es designa amb aquest nom aquelles equacions químiques que se escriuen acompanyades del seu corresponent balanç energètic, referit sempre a la variació d’entalpia, ja que les reaccions, per regla general, es verifiquen a pressió constant.

CH4 (g) + 2 O2 (g) → CO2 (g) + 2 H2O (g) ∆H = – 802 kJ

CH4 (g) + 2 O2 (g) → CO2 (g) + 2 H2O (l) ∆H = – 890 kJ

Additivitat de les entalpies de reacció. Llei de Hess

L’entalpia és una funció d’estat

La variació de l’entalpìa d’una reacció depèn únicament dels estats inicials i final d’aquesta i no dels processos intermedis que s’han pogut produir.

L’expressió matemàtica d’aquest fet és el que anomenem llei de Hess o d’additivitat de les entalpies

Quan una reacció química es pot expressar com a suma algebraica de dos o més reaccions, la variació d’entalpia total es igual a la suma algebraica de les seves variacions de entalpia que tenen lloc en cadascuna de les reaccions parcials

Entalpia normal de formació

L’entalpia normal o estàndard de formació d’un compost ∆Hºf, és la variació d’entalpia que té lloc quan es forma 1 mol d’aquest compost en el seu estat normal, a partir dels seus corresponents elements també en el seu estat normal.

Aplicació de les entalpies de formació en el càlcul de les entalpies de reacció