La thermodynamique chimique est l'étude de l'interrelation entre la chimie et la thermodynamique. Ce concept qui inclut les changements d'état de la matière est également connu sous le nom de thermochimie.
Par conséquent, la thermodynamique chimique fait référence aux conversions d'énergie chimique en énergie thermique et vice versa, qui se produisent lors d'une réaction entre des substances ayant une affinité chimique et étudie les variables qui leur sont liées. La relation entre la thermodynamique et l'énergie inclut les changements physiques de la matière.
Toutes ces conversions s'effectuent dans les limites des lois de la thermodynamique.
L'énergie de l'univers est constante : première loi de la thermodynamique.
Dans tout processus spontané, il y a toujours augmentation de l'entropie de l'univers : seconde loi de la thermodynamique.
L'entropie d'un cristal parfait (bien ordonné) à 0 Kelvin est nulle : troisième loi de la thermodynamique.
Les débuts de la thermodynamique chimique apparaissent dans l'ouvrage de Josiah Willard Gibbs, un mathématicien Américain, "On the Equilibrium of Heterogeneous Substances" (1878). Marcellin Pierre Eugène Berthelot est considéré comme le fondateur de la thermochimie. Toutefois, c'est Sadi Carnot qui posa les bases de cette discipline et l'étude des machines thermiques au XIXe siècle.
Un exemple d'application de la thermodynamique des réactions chimiques concerne la chaleur générée lors de la charge et de la décharge des batteries solaires dans une installation photovoltaïque.
Quelles sont les lois de la thermochimie ?
En plus des principes thermodynamiques, il existe deux lois qui régissent toute la discipline de la thermochimie :
Loi de Lavoisier et Laplace (formulée en 1780) : le transfert de chaleur qui accompagne une réaction chimique donnée est égal et opposé au transfert de chaleur de la réaction opposée ;
Loi de Hess (formulée en 1840) : la variation de l'enthalpie de réaction est la même tant que la réaction se déroule en une ou plusieurs étapes successives et indépendantes (même purement hypothétiques).
Les deux lois ont été dérivées empiriquement et énoncées avant la première loi de la thermodynamique : cependant, vous pouvez prouver qu'elles en sont des conséquences directes, ainsi que le fait que l'enthalpie H et l'énergie interne U sont des fonctions d'état thermodynamiques.
Description de la thermodynamique chimique
L'objectif principal de la thermodynamique chimique est l'établissement d'un critère pour déterminer la faisabilité ou la spontanéité d'une transformation donnée. De cette manière, la thermodynamique chimique est généralement utilisée pour prédire les échanges d'énergie qui se produisent dans les processus suivants : réactions chimiques, changements de phase, formation de solutions.
Les principaux processus thermodynamiques dans une réaction entre les substances chimiques les plus importantes sont les suivants :
Processus isobare : se déroule à pression constante.
Processus isochore : le volume reste constant.
Processus isotherme : se déroule à température constante.
Processus adiabatique : c'est un processus dans lequel il n'y a pas de transfert de chaleur avec le milieu extérieur.
Processus isentropique : se déroule à entropie constante.
Les fonctions d'état suivantes présentent un intérêt primordial en thermodynamique chimique : énergie interne (U), enthalpie (H), entropie (S), énergie ou enthalpie libre de Gibbs (G) et le potentiel chimique.
La structure de la thermodynamique chimique est basée sur les deux premières lois de la thermodynamique. De la première loi de la thermodynamique et de la deuxième loi de la thermodynamique, quatre équations appelées "équations fondamentales de Gibbs" peuvent être dérivées.
De ces quatre, une multitude d'équations peuvent être dérivées, reliant les propriétés thermodynamiques du système thermodynamique, en utilisant des mathématiques relativement simples. Cela décrit le cadre mathématique de la thermodynamique chimique.
Qu'est-ce qu'un système thermodynamique ?
Un système thermodynamique est la partie spécifique de l'univers qui est étudiée. Tout ce qui est en dehors du système est considéré comme environnement ou environnement. Un système peut être :
Un système thermodynamique (complètement) isolé qui ne peut pas échanger d'énergie ou de matière avec l'environnement, comme un calorimètre à bombe isolé.
Un système thermiquement isolé qui peut échanger du travail mécanique, mais pas de chaleur ou de matière, tel qu'un piston fermé isolé ou un ballon.
Un système mécaniquement isolé qui peut échanger de la chaleur, mais pas de travail ou de matière mécanique, comme un calorimètre à bombe non isolé.
Un système fermé qui peut échanger de l'énergie, mais peu importe, comme un ballon fermé ou un piston sans isolation.
Un système ouvert qui peut échanger de la matière et de l'énergie avec l'environnement, comme une casserole d'eau bouillante.
