Tema 2 TermodinàMica QuíMica 2 BATX

Tema 2 Termodinàmica Química 1

TEMA 2Termodinàmica Química


2.1Introducció

■ Termodinàmica:

– és la branca de la física que s’encarrega d’estudiar des d’un punt de vista energètic les reaccions o transformacions químiques a nivell macroscòpic, però no explica si les reaccions són mes o menys ràpides (serà la cinètica).

■ Sistema: és una certa quantitat de matèria que s’aïlla de la resta de l’Univers amb la finalitat d’estudiar-la.

■ Procès: conjunt de canvis que tenen lloc a un sistema.

■ Tipus de Sistemes:– Obert: intercanvia matèria i Energia amb l’entorn

• pex. Evaporació d’aigua d’un got

– Tancat: intercanvia Energia pero NO matèria amb l’entorn

• Pex. Escalfar una olla a pressió

– Aïllat: NO intercanvia ni matèria ni energia amb l’entorn.

• Pex Termo ideal.


■ L’E que es bescanvia entre el Sistema i l’entorn es pot fer en diverses formes:

– Elèctrica, tèrmica, magnètica, química, cinètica, lumínica…etc

■ L’E NO es crea ni es destrueix, només es transforma

– es pot transformar en formes “menys aprofitables”, pex una part de l’E elèctrica que arriba a una bombeta es transforma en calor.

■ Condicions estàndard: són les condicions de treballar a un laboratori.

– P=1 atm=1,013.105 Pa

– T=25ºC= 298ºK (no es treballa en c.n. T=0ºC¡¡¡)


2.2 Variables Termodinàmiques■ Per estudiar el procès termodinàmic d’una reacció química, necessitem unes

variables que defineixin el sistema en un moment donat.

■ Variables d’estat: són magnituds que permeten coneixer exactament la situació termodinàmica d’un sistema.

– Pex. Si coneixes P,V i T tens un gas definit.

■ Dintre de les variables d’estat hi ha algunes magnituds en les quals el valor final de la magnitud un cop ha tingut lloc un determinat procès NO depen del camí recorregut, son les anomenades Funcions d’estat.

Volum (V) unitats: l o m3

Pressió (P) unitats:atm o Pa

Temperatura (T) unitats:ºK

Energia Interna (U) unitats: J

Entalpia (H) unitats: J

Entropia (S) unitats: J/ºK

Energia lliure de Gibbs (G) unitats: J


2.3 Calor i treball: Q i W

– En tot procés químic, en un sistema no aïllat, es produeix un intercanvi d'energia amb el medi exterior. Aquesta energia es pot presentar de diferents maneres: mecànica, calorífica, elèctrica..., totes relacionades entre elles.

– En l'estudi de les relacions entre l'energia i les reaccions químiques, les dues formes d’energia que més ens interessen són la calorífica i la mecànica. Ambdues són formes d’energia “en transit”.

– Un sistema “no té” calor o treball, només el transfereix (rep o dóna)

– Calor ( Q ): • es una forma d’energia que es manifesta si hi ha una diferència de temperatura

entre el sistema i l'entorn.

• depèn de la variació de temperatura i de la massa

Si hi ha canvi d’estat : Q= m. λ

Si NO hi ha canvi d’estat: Q=m.ce.∆T


– Treball ( w ). • És la força aplicada a un cos per realitzar un cert desplaçament.

• En termodinàmica aquest treball es dóna– quan intervenen gasos a les reaccions – és un treball de compressió o d'expansió, – el definim com l'energia transmesa a un sistema en aplicar-hi una força exterior.

■ W= -Fext. ∆x

■ W=-Pext.∆V

– Es farà a classe la demostració per passar de la fòrmula 1 a la 2


2.4 Primer principi de la Termodinàmica: Energia interna

■ A qualsevol reacció química s’ha de complir:– Llei de conservació de massa (Lavoisier)– Llei de conservació de l’energia (l’ E no es crea ni es destrueix, nomès es transforma)

■ L'energia d'un sistema, l'anomenada energia interna U:– és la suma de totes les energies(cinètica, potencial, vibratòria, etc. ) que posseeixen les molècules

que el conformen – aquesta energia es transfereix d’un sistema a un altre en forma de calor i treball.

– L’energia interna nomès pot variar en forma de calor i/o treball

– PRIMER PRINCIPI DE LA TERMODINÀMICA ∆U=Q+W

■ No és possible mesurar el valor absolut de l'energia interna. Només se'n pot mesurar la seva variació ∆U (joules ( J ) i quilojoules ( KJ )).

■ Conveni de signes ■ Tot terme energètic, que rep el sistema és positiu.■ Tot terme energètic que “dóna” el sistema és negatiu.


■ D'acord amb el conveni IUPAC, trobem que:– Si l'entorn realitza un treball sobre el sistema, aquest serà positiu, ja que l'energia és transferida al

sistema.– Si el sistema realitza un treball sobre l'entorn, aquest serà negatiu, ja que l'energia és transferida pel

sistema.– Si el sistema absorbeix calor de l'entorn, aquesta energia es transmet al sistema i, per tant, tindrà

signe positiu.– Si els sistema desprèn calor, aquest tindrà signe negatiu, ja que l'energia és transferida pel sistema.

■ Els processos que desprenen calor s'anomenen exotèrmics. ■ Els processos que absorbeixen calor s'anomenen endotèrmics.


2. 5 Relació entre l’energia interna i l’entalpia

■ En tota reacció a volum constant el canvi d'energia interna només és causat per la calor transferida en el procés.

�∆U=Qv■ En tota reacció a pressió constant, la calor transferida en el procés coincideix

amb la variació d'entalpia.�∆H=∆U+P.∆V�∆H=Qp– **Demostració matemàtica es farà a classe

■ Totes les reacciona gasoses on no hi ha variació de nombre de mols entre els productes i reactius, els valors de calor a pressió constant ( entalpia ) i a volum constant ( energia interna ) coincideixen

�∆H=∆U+∆nRT

– Si ∆n=0 llavors l’equació anterior ∆H=∆U


2.6 Com calcular ∆H?

■ Enguany estudiarem 3 maneres de calcular la variació d’entalpia d’un sistema:

■ 1) Entalpia de formació:

�∆Hf La variació d'entalpia d'una reacció depèn de l'estat físic dels reactius i productes, així com de les condicions de pressió i temperatura a les quals es realitza la reacció. Per això, i amb la finalitat de poder comparar les variacions múltiples de diferents reaccions, s'han definit unes condicions de referència que anomenem condicions estàndards.

– L'entalpia normal o estàndard dels elements en la seva forma habitual més estable es defineix com a zero.

– El canvi d'entalpia que es produeix en la reacció de formació d'un mol de compost partint dels elements que el constitueixen en el seu estat habitual i estable a les condicions estàndard de pressió i temperatura s'anomena entalpia de formació estàndard.

�∆Hreacció= (Σ np.∆Hºf productes)- (Σ nr.∆Hºf reactius)


■ 2) Llei de Hess de les entalpies de reacció

– fou enunciada per aquest químic rus a mitjans del segle passat i la deduí abans que fos enunciat el primer principi de termodinàmica.

– Ens diu que si una reacció química es pot expressar com una suma algebraica ( suma o diferència ) d'altres reaccions químiques parcials, l'entalpia d'aquella reacció, com que és una funció d'estat, valdrà també la suma algebraica de les entalpies de les reaccions parcials.

• 3) Energies d’enllaç:

• aquest és el sistema menys precís, només ens donarà valors aproximats si tot els reactius i productes que intervenen a la reacció són gasos.

• Una reacció química consisteix en “una reorganització dels enllaços” es a dir hi ha enllaços químics que es trenquen i d’altres es formen.

• Existeixen taules d’energies d’enllaç en condicions estàndard.

• Trencar un enllaç ⇒ ∆Hº enllaç >0

• Formar un enllaç⇒ ∆Hº enllaç <0

�∆Hreacció≈ (Σ∆Hºenllaços trencats)- (Σ ∆Henllaços formats)

– Els valors només són aproximats, donat que l’energia d’enllaç pex. C-C no és exactament la mateixa al metà o a l’etanol, depen de totat la molècula


2.8 L’Entropia o el desordre ∆S

■ A l'Univers tots els moviments dels cossos i tots els processos tendeixen a un estat d'energia mínima.

■ Amb els processos químics també s'esdevé aquesta tendència:

– l'espontaneïtat d'una reacció química depèn en bona part de l'estat d'energia mínima del sistema format per reactius i productes de reacció

– Malgrat aquest criteri hi ha reaccions endotèrmiques que són expontànies, com pot ser això?, és obvi que deu haver-hi un altre factor que també intervingui.

■ Aquesta magnitud és l’anomenada entropia, S, que ens mesura el grau de desordre d'un sistema.

– dS=dQ/T unitats SI. (J/ºK)


■ Segon principi de termodinàmica

■ En els canvis espontanis, l'Univers tendeix a l'estat de màxim desordre, és a dir, de màxima entropia.

�∆S>0 Augmenta el desordre

�∆S<0 Disminueix el desordre

■ Tercer principi de termodinàmica: Tot sòlid cristal·lí ordenat i a la temperatura de 0ºK té una entropia, S, nul·la, S = 0

– Un element està perfectament ordenat només en el zero absolut, quan NO hi ha vibracions.

– Compte¡¡, ara no és en condicions estàndar (com en el cas de la H) quan la S d’un element és zero.

�∆Sreacció= (Σ np.∆Sº productes)- (Σ nr.∆Sºreactius)


2.9 Energia lliure de Gibbs: ∆G

■ L’espontaneítat d’un procès depen de dos factors:

– energètic: H

– nivell de desordre:S

■ Gibbs va trobar l'equació matemàtica que lligava l'entropia amb l'entalpia per a tot procès a P constant.

�∆G = ∆H - T∆S

�∆S és l'entalpia del sistema

– T, la temperatura en ºK

�∆H l'entalpia del sistema.

■ Criteri espontaneïtat: �∆G<0 procès espontani�∆G>0 procès no espontani


∆H ∆S ∆G∆G = ∆H - T∆S

Espontània?

+endotèrmica

-baixa eldesordre

+ Mai pot serespontània

+endotèrmica

+puja el

desordre

¿? Espontània a Televades

-exotèrmica

-baixa eldesordre

¿? Espontània a Tbaixes

-exotèrmica

+puja el

desordre

- Sempreespontànies


■ Entalpia o energia lliure de formació: ∆Gºf

– El canvi d'energia lliure de Gibbs és necessari per formar un mol de compost a partir dels elements en estat fonamental en condicions estàndard de pressió i temperatura.

– ∆Greacció= (Σ np.∆Gfº productes)- (Σ nr.∆Gfº reactius)

Tema 2 TermodinàMica QuíMica 2 BATX

Education

Transcript of Tema 2 TermodinàMica QuíMica 2 BATX