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Thermodynamique chimique

Thermodynamique chimique

La thermodynamique chimique est l'étude de l'interrelation de la chaleur et du travail avec des réactions chimiques ou avec des changements d'état physiques dans les limites des lois de la thermodynamique.

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 problèmes chimiques et de la spontanéité des processus.

La structure de la thermodynamique chimique est basée sur les deux premières lois de la thermodynamique. A partir des première et deuxième lois de la thermodynamique, quatre équations appelées "équations fondamentales de Gibbs" peuvent être dérivées. À partir de ces quatre, une multitude d'équations reliant les propriétés thermodynamiques du système thermodynamique peuvent être dérivées à l'aide de mathématiques relativement simples. Ceci décrit le cadre mathématique de la thermodynamique chimique.

La thermodynamique chimique est en contact étroit avec des sections de la chimie telles que

  • chimie analytique
  • électrochimie
  • chimie des colloïdes
  • Adsorption et chromatographie

A quoi sert 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. Ainsi, la thermodynamique chimique est normalement utilisée pour prédire les échanges d'énergie qui se produisent dans les processus suivants :

  • Réactions chimiques
  • changements de phase
  • La formation de solutions.

Les fonctions d'état suivantes sont de première importance en thermodynamique chimique :

  • Énergie interne (U)
  • Enthalpie (h). L'enthalpie est une grandeur physique définie dans le domaine de la thermodynamique classique pour mesurer l'énergie maximale d'un système thermodynamique théoriquement susceptible d'en être retirée sous forme de chaleur. Il est particulièrement utile pour comprendre et décrire les processus isobares : à pression constante, la variation d'enthalpie est directement liée à l'énergie reçue par le système sous forme de chaleur, celles-ci sont facilement quantifiables avec des calorimètres.
  • Entropie (S). L'entropie est une grandeur thermodynamique qui explique l'énergie qui ne peut pas être réalisée par un travail utile dans un processus thermodynamique. C'est une fonction d'un état de caractère étendu et sa valeur augmente dans un système isolé, selon la deuxième loi de la thermodynamique. Il peut être interprété comme l'état de désordre d'un système. Le changement d'entropie positif indique le sens naturel dans lequel tout événement se produit dans un système isolé.
  • Énergie libre de Gibbs (G). En thermodynamique, l'énergie libre de Gibbs (ou enthalpie libre) est une expression mathématique, plus précisément une fonction d'état étendue, qui fournit la condition d'équilibre et de spontanéité pour tout processus se déroulant sous pression constante (par exemple, de nombreuses réactions). produits chimiques). Les changements d'énergie libre sont symbolisés par ΔG et représentent l'énergie disponible pour un travail chimique utile.

La plupart des identités en thermodynamique chimique proviennent de l'application de la première loi de la thermodynamique et de la deuxième loi de la thermodynamique, en particulier la loi de conservation de l'énergie, à ces fonctions d'état.

Lois de la thermodynamique

En résumé, les trois lois de la thermodynamique annoncent ce qui suit :

L'énergie de l'univers est constante.
Dans tout processus spontané, il y a toujours une augmentation de l'entropie de l'univers.
L'entropie d'un cristal parfait (bien ordonné) à 0 Kelvin est nulle.

Les lois de la thermodynamique décrivent, en principe, le transport privé de chaleur et de travail dans les processus thermodynamiques. Cependant, depuis leur conception, ces lois de la physique sont devenues les plus importantes de toute la physique et des autres sciences liées à la thermodynamique. Ils sont souvent associés à des concepts trop éloignés de ce que contiennent leurs énoncés.

Lois de la thermodynamique

0. loi zéro de la thermodynamique.

1. première loi de la thermodynamique.

2. deuxième loi de la thermodynamique.

3. troisième loi de la thermodynamique.

Le premier principe à établir fut la deuxième loi de la thermodynamique, telle que formulée par Sadi Carnot en 1824. En 1860, il établissait déjà deux "principes" de la thermodynamique avec les travaux de Rudolf Clausius et William Thomson, Lord Kelvin. Au fil du temps, ces principes sont devenus des « lois ». En 1873, par exemple, Willard Gibbs a affirmé qu'il y avait deux lois absolues de la thermodynamique dans ses méthodes graphiques sur la thermodynamique des fluides. Au total, quatre lois sont actuellement énoncées. Au cours des 80 dernières années, certains auteurs ont proposé d'autres lois, mais aucune d'entre elles n'a fait l'unanimité.

Histoire de la thermodynamique chimique

Le développement de la thermodynamique chimique s'est développé simultanément de deux manières : la thermochimie et la thermodynamique.

L'émergence de la thermochimie en tant que science indépendante doit être considérée comme la découverte par Herman Ivanovitch Hess, professeur à l'Université de Pétersbourg, de la relation entre les effets thermiques des réactions chimiques, les lois de Hess.

En 1867, sur la base de la thermochimie, Marselen Berthelot propose l'une des premières théories de l'affinité chimique, expliquant le sens d'écoulement des réactions chimiques.

Les réalisations générales de la thermodynamique, en tant que partie de la chimie théorique, reflétées dans l'étude de l'entropie, ont conduit à l'émergence d'une autre méthode d'investigation, non liée à la théorie négativement prouvée de l'affinité chimique.

Les bases de la thermodynamique chimique classique ont été posées dans l'ouvrage de Josiah Willard Gibbs "On the Equilibrium of Heterogeneous Substances" (1878), dans lequel une méthode graphique de représentation des états d'une substance, la méthode des potentiels thermodynamiques, a été développée et la phase régner.

Les méthodes de Gibbs, également développées par Pierre Dueme, ont donné une grande impulsion au développement des applications thermodynamiques, car elles étaient beaucoup plus simples que la méthode des processus circulaires, qui nécessitait d'inventer des processus hypothétiques fermant un certain processus dans un processus circulaire.

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Date de publication : 30 octobre 2018
Dernier examen : 30 octobre 2018