Fonaments de la Termodinàmica: Conceptes i Principis

Introducció a la termodinàmica

La termodinàmica és la part de la ciència que estudia les propietats macroscòpiques de la matèria, especialment les que són afectades pels canvis de calor i temperatura, i també les variacions d'energia que es produeixen en els processos físics i químics.

Sistemes i entorn

• Sistema: És la part de l'univers les propietats del qual es volen estudiar.
• Medi o entorn: És la part de l'univers situada al voltant del sistema i que hi pot interaccionar.

Tipus de sistemes

• Sistema obert: Intercanvia amb el medi matèria i energia.
• Sistema tancat: Intercanvia amb el medi energia però no matèria.
• Sistema aïllat: No intercanvia amb el medi ni matèria ni energia.

Principis de la termodinàmica

Primer principi

Expressa el fet comprovat que l'energia ni es crea ni es destrueix, per la qual cosa en qualsevol procés la quantitat total d'energia es manté constant:

ΔU = Q (calor) + W (treball)

Equivalències: 1 cal = 4,18 J | 1 J = 0,24 cal

Segon principi

Estudia els dispositius capaços de transformar calor en treball:

|W| = |Q₁| - |Q₂|

Reaccions químiques i energia

• Endotèrmica: Quan l'energia total dels reactius és inferior a l'energia total dels productes, hi ha absorció d'energia del medi.
• Exotèrmica: Quan l'energia total dels reactius és superior a l'energia total dels productes, hi ha cessió d'energia al medi.

La calor absorbida durant una reacció química més el treball realitzat sobre el sistema augmentaran l'energia dels productes, mentre que l'energia despresa durant la reacció i el treball realitzat pel sistema disminuirà l'energia dels productes.

Calor de reacció

• Reaccions exotèrmiques (Q < 0): Van acompanyades d'un despreniment d'energia en forma de calor. L'energia dels productes serà més petita que l'energia dels reactius si el treball realitzat sobre el sistema no compensa la pèrdua de calor.
• Reaccions endotèrmiques (Q > 0): Es produeixen per mitjà de l'absorció d'energia en forma de calor. L'energia dels productes serà més gran que l'energia dels reactius si el treball realitzat pel sistema no compensa el guany de calor.

Calor a volum i pressió constants

• Calor de reacció a volum constant (Q_v): És la quantitat de calor intercanviada en una reacció química en la qual el volum del sistema no experimenta variació. Si W = 0, llavors ΔU = Q_v.
• Calor de reacció a pressió constant (Q_p): És la quantitat de calor intercanviada en una reacció química quan la pressió que s'exerceix sobre el sistema no experimenta variació. Si el sistema varia de volum, realitza un treball d'expansió-compressió.

Entalpia i calorimetria

La bomba calorimètrica és un dispositiu aïllat hermèticament de l'exterior que s'utilitza per a determinar la calor de reacció a volum constant.

L'entalpia de reacció (ΔH = Q_p) és la funció que utilitzem a pressió constant:

• Reacció exotèrmica: Cedeix calor, l'entalpia és de signe negatiu i l'entalpia dels reactius és superior a l'entalpia total dels productes.
• Reacció endotèrmica: Absorbeix calor, el signe és positiu i l'entalpia total dels reactius és inferior a l'entalpia total dels productes.