Notiuni de termodinamica

Notiuni de termodinamica

Toate transformarile suferite de substante se supun principiilor termodinamicii

Termodinamica, parte a fizicii, care studiaza variatia si interconversia diferitelor forme de energie ce insotesc procesele fizice si chimice.

In anul 1842 fizicianul german Iulius Robert Mayer studiind lucrul mecanic si caldura, a ajuns la concluzia ca si caldura este o forma  a energiei si stabileste primul principiu al termodinamicii.

Primul principiu al termodinamicii se enunta astfel: in orice transformare, variatia energiei interne depinde doar de starea initiala si finala a sistemului fiind independenta de starile intermediare prin care trece sistemul.

Al doilea principiu al termodinamicii a fost descoperit de S.Carnot in anul 1824 cu ocazia efectuarii studiilor asupra randamentului masinilor termice, stabilind ca formele de energie cunoscute in acel moment (mecanica, electrica, chimica, radianta) pot fi transformate integral in caldura, pe cand aceasta nu poate fi convertita in intregime in lucru mecanic, electric sau chimic.

Enuntul principiului II al termodinamicii, dupa Thomson Plack stabileste ca intr-un proces ciclic reversibil este imposibil transferul caldurii de la un rezervor termic si conversia  sa integrala in lucru mecanic, fara ca in acelasi timp sa se transfere o anumita cantitate de caldura de la un corp cald la unul rece .

Fizicianul german R.Clauseius  a formulat principiul II al termodinamicii astfel: caldura nu trece niciodata spontan de la un corp rece la unul cald.

Termodinamice chimica studiaza conditiile de stabilitate chimica a sistemului chimic si legile dupa care acestea evolueaza pentru a atinge starea de stabilitate maxima sau de energie minima , stare de echilibru chimic.

Studiul termodinamic al unei transformari chimice conduce la cunoasterea energiei eliberate sau absorbite de un sistem, sensul de desfasurare si conversie maxima posibila, luand in consideratie numai starea initiala si finala a sistemului fara a tine seama de mecanismul reactiei, deci fara a obtine informatii asupra vitezei cu care are loc transformarea.

De studiul mecanismelor si a vitezei de desfasurare a reactiilor chimice se ocupa cinetica chimica .

O reactie chimica poate fi studiata atat termodinamic cat si cinetic.

Prin sistem se intelege o portiune de substanta delimitata de restul substantei prin suprafete de separatie conventionale.

Termodinamica chimica studiaza numai sistemele de substante in sens chimic adica formate din molecule, atomi, ioni.

Sistemele pot fi izolate (nu fac schimburi energetice sau materiale cu mediul inconjurator), inchise (care fac numai schimburi energetice cu exteriorul) si deschise (schimba cu exteriorul atat materia cat si energia).

Din punct de vedere al constituentilor, sistemele pot fi:

- omogene, care prezinta in toata intinderea lor proprietati macroscopice identice;

- eterogene, care prezinta variatii in salturi ale proprietatilor lor macroscopice.

Zonele in care se prezinta salturile proprietatilor constituente sunt suprafete de separatie, iar domeniile omogene delimitate de aceste suprafete formeaza fazele sistemului .

Prin proces  se intelege trecerea sistemului dintr-o stare initiala in una finala.

Proiect: Test ALCHINE - chimie Proiect: Compozitia chimica a acizilor nucleici - nucleotid

Procesele termodinamice se pot clasifica dupa foarte multe criterii, dar din punct de vedere chimic intereseaza :

- dupa drumul parcurs de un proces, acestea pot fi:    procese reversibile, cand sistemul poate fi readus de la starea finala in starea initiala pe aceeasi cale pe care a avut loc procesul direct si procese ireversibile, in care sistemul nu mai poate fi readus la starea initiala pe drumul urmat de procesul direct;

- dupa conditiile in care se desfasoara, se disting: procese izocore (v = const., dv= 0); izobare (p=const., dp=0); izoterme (dT = const, dT=0), adiabatice, cand nu se produce schimb de caldura, (Q = 0).

In cazul cand la formularea principiului I al termodinamicii se aleg ca variabile  independente, presiunea si temperatura, conditii intalnite frecvent in practica, variatia caldurii la presiune constanta in cazul transformarilor se numeste entalpie sau continut caloric.

Daca sistemul cedeaza caldura, variatia entalpiei va fi negativa iar procesul se va numi exoterm.

Daca sistemul primeste caldura, variatia entalpiei este pozitiva si procesul se numeste endoterm.

Intr-o reactie chimica vom intalni:

- entalpia de reactie (caldura de reactie) - cantitatea de caldura absorbita sau degajata in cursul unei reactii chimice

- entalpia de formare (caldura de formare)

- entalpia de reactie in cazul formarii unui mol de substanta

- entalpia de combustie (caldura de ardere) - cantitatea de caldura degajata la arderea completa a unui mol dintr-o substanta

In cazul in care se estimeaza cantitatea de caldura (Q) degajata de unitatea de masa (kg) sau volum (m³) din substanta definim puterea calorica (q)

Q = q . m (J/kg) respectiv Q = q . V (J/m³)

Legile termochimice sunt:

Legea Lavoisier-Laplace - cantitatea de caldura necesara pentru descompunerea unei substante in elementele sale componente este egala cu cantitatea de caldura consumata la formarea substantei din aceleasi elemente

Legea lui Hess - cantitatea de caldura absorbita sau degajata intr-o transformare chimica este aceeasi indiferent de modul in care are loc transformarea, direct sau in etape.

Starile normale de echilibru in natura tind catre energia interna minima, cu scaderea temperaturii in perioada transformarilor. Aceasta tendinta a sistemului de a trece spre starea cu energie minima se exprima in termodinamica prin entropie, notiune introdusa de fizicianul german R. Claudius in anul 1850.

Entropia este o masura a starii unui sistem si cu cat acesta este mai ordonat, entropia este mai mica. Sensul fizic al entropiei reprezinta cantitatea de caldura necesara pentru a aduce sistemul din starea minima de energie la starea energetica dorita la o anumita temperatura

Intr-un sistem izolat, in cazul unui proces spontan, entropia creste catre o valoare maxima. Aceasta tendinta nu este valabila la nivelul universului pentru ca ar corespunde unei "morti termice"

Entropia unei substante in stare amorfa este mai mare decat in stare cristalina.

Variatia de entropie intr-o reactie chimica este data de diferenta dintre entropiile substantelor care rezulta din reactie  si entropia substantelor care intra in reactie.