Menu

Thermodynamique.
Transformation de l'énergie

Énergie thermique I de combustion.
Effets de la thermodynamique

Entropie

Thermodynamique chimique

Thermodynamique chimique

La thermodynamique chimique (ou thermochimie) est la branche de la thermodynamique qui étudie les effets thermiques causés par les réactions chimiques, appelée chaleur de réaction. Par conséquent, la thermodynamique chimique fait référence aux conversions d'énergie chimique en énergie thermique et inversement, qui se produisent pendant une réaction et étudie les variables qui y sont connectées, telles que l'enthalpie de liaison, l'entropie de la formation de standards, etc. Toutes ces conversions se font dans les limites des lois de la thermodynamique.

Outre les principes thermodynamiques, deux lois 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 identique et contraire au transfert de chaleur de la réaction opposée;
  • Loi de Hess (formulée en 1840): la variation de l'enthalpie de réaction est la même que la réaction se produit dans un ou plusieurs stades successifs et indépendants (même purement hypothétiques).

Les deux lois ont été déduites et énoncées empiriquement avant le premier principe de la thermodynamique: vous pouvez toutefois prouver qu'elles en sont des conséquences directes, de même que l'enthalpie H et l'énergie interne U sont des fonctions thermodynamiques de l'État.

La thermodynamique chimique implique non seulement des mesures en laboratoire de diverses propriétés thermodynamiques, mais également l'application de méthodes mathématiques à l'étude des questions chimiques et à la spontanéité des processus.

Dans l'énergie solaire photovoltaïque, la thermodynamique chimique revêt une importance particulière pour la charge et la décharge des batteries. Au cours de ce processus, un échange entre énergie chimique et électricité est expérimenté.

Description de la thermodynamique chimique

L'objectif principal de la thermodynamique chimique est l'établissement d'un critère permettant de 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 fonctions d'état suivantes sont d'un intérêt primordial en thermodynamique chimique: énergie interne (U), enthalpie (H), entropie (S), énergie libre de Gibbs (G).

La structure de la thermodynamique chimique repose sur les deux premières lois de la thermodynamique. A partir du premier principe de la thermodynamique et du second principe de la thermodynamique, quatre équations appelées "équations fondamentales de Gibbs" peuvent être dérivées. À partir de ces quatre, une multitude d'équations peuvent être dérivées, qui relient les propriétés thermodynamiques du système thermodynamique, en utilisant des mathématiques relativement simples. Ceci délimite le cadre mathématique de la thermodynamique chimique.

Systèmes thermodynamiques

En thermochimie, il existe plusieurs définitions thermodynamiques très utiles. Un système thermodynamique est la partie spécifique de l'univers étudiée. Tout ce qui se trouve en dehors du système est considéré 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, tel qu'un calorimètre à pompe isolé.
  • Système thermiquement isolé pouvant échanger des travaux mécaniques, mais pas de chaleur ni de matière, tel qu'un ballon ou un piston fermé isolé.
  • Système isolé mécaniquement capable d'échanger de la chaleur, mais pas de matériel de travail ni de matière mécanique, tel qu'un calorimètre à pompe non isolé
  • Un système fermé pouvant échanger de l'énergie, mais cela n'a pas d'importance, comme un ballon fermé ou un piston sans isolation
  • Un système ouvert capable d'échanger de la matière et de l'énergie avec l'environnement, tel qu'une casserole d'eau bouillante

Réactions chimiques

Dans la plupart des cas d'intérêt en thermodynamique chimique, il existe des degrés de liberté internes et des processus tels que les réactions chimiques et les transitions de phase. Ces réactions chimiques créent toujours une entropie, sauf si elles sont en équilibre ou maintenues dans un équilibre continu.

Même pour des matériaux homogènes, les fonctions d'énergie libre dépendent de la composition, de même que tous les potentiels thermodynamiques étendus, y compris l'énergie interne.

Histoire de la thermodynamique chimique

En 1865, le physicien allemand Rudolf Clausius, dans sa théorie mécanique de la chaleur, suggéra que les principes de la thermochimie, par exemple la chaleur générée dans les réactions de combustion, pourraient être appliqués aux principes de la thermodynamique. Sur la base des travaux de Clausius, le physicien mathématicien américain Willard Gibbs publia une série de trois articles entre 1873 et 1876, le plus célèbre étant le document sur l'équilibre des substances hétérogènes.

Dans ces articles, Gibbs a montré comment les deux premières lois de la thermodynamique pouvaient être mesurées graphiquement et mathématiquement pour déterminer à la fois l'équilibre thermodynamique des réactions chimiques et leurs tendances à se produire ou à aller de l'avant. La collection de documents de Gibbs a fourni le premier ensemble unifié de théorèmes thermodynamiques à partir des principes développés par d'autres, tels que Clausius et Sadi Carnot.

Au début du XXe siècle, deux publications importantes appliquèrent avec succès les principes développés par Gibbs aux processus chimiques et posèrent ainsi les bases de la science de la thermodynamique chimique. Le premier était le manuel de 1923 intitulé Thermodynamics and Chemical Free Energy de Gilbert N. Lewis et Merle Randall. Ce livre était responsable de la substitution de l'affinité chimique avec le terme énergie libre dans le monde anglophone.

Le second était l'ouvrage de 1933 intitulé Modern Thermodynamics, d'après les méthodes de Willard Gibbs, écrit par EA Guggenheim. Ainsi, Lewis, Randall et Guggenheim sont considérés comme les fondateurs de la thermodynamique chimique moderne en raison de la grande contribution de ces deux ouvrages Unifier l'application de la thermodynamique à la chimie.

 

valoración: 3 - votos 1

Dernier examen: 24 septembre 2019