Leis da Termodinâmica em Química

As leis da termodinâmica, aplicadas a sistemas químicos, estabelecem como a energia é conservada nas reações, por que algumas reações ocorrem espontaneamente e como as entropias se aproximam de um limite definido no zero absoluto.

Definition

As leis termodinâmicas em química são a primeira, segunda e terceira leis da termodinâmica especializadas para a mudança química, governando a energética das reações, a direção das reações espontâneas e as entropias absolutas das substâncias.

Scope

Este tópico aborda a aplicação química das quatro leis: a lei zero e a temperatura; a primeira lei expressa através da energia interna, entalpia e calores de reação; a segunda lei expressa através da entropia e da desigualdade de Clausius como critério de espontaneidade; e a terceira lei, que atribui entropias absolutas e fundamenta o cálculo de constantes de equilíbrio a partir de dados calorimétricos. O tratamento detalhado dos critérios de energia livre, potencial químico e equilíbrio é desenvolvido em tópicos relacionados.

Core questions

• Como a primeira lei relaciona o calor de reação a volume constante com o calor a pressão constante através da energia interna e da entalpia?
• Por que a entropia de um sistema isolado não diminui, e como isso define a espontaneidade?
• Como a terceira lei permite que as entropias absolutas sejam tabeladas e usadas em cálculos químicos?
• Como as funções de estado são distinguidas de quantidades dependentes do caminho, como calor e trabalho?

Key concepts

• Energia interna e entalpia de reação
• Entropia e a desigualdade de Clausius
• Processos reversíveis e irreversíveis
• Entropia absoluta e a terceira lei
• Funções de estado versus funções de caminho

Key theories

Primeira lei para sistemas químicos

A mudança na energia interna de um sistema reagente é igual ao calor absorvido menos o trabalho realizado; a pressão constante, isso é capturado pela entalpia, tornando a entalpia de reação uma função de estado mensurável e independente do caminho.

Segunda e terceira leis como critérios e referência

A segunda lei torna a produção de entropia o critério universal para a mudança química espontânea, enquanto a terceira lei fixa a entropia de um cristal perfeito em zero no zero absoluto, fornecendo entropias absolutas para cálculos de reação.

Clinical relevance

Estas leis fornecem a contabilidade para toda a energética química, desde o calor liberado pela combustão e a viabilidade de sínteses industriais até os processos impulsionados pela entropia de dissolução, mistura e auto-organização biológica.

History

O uso químico da termodinâmica surgiu da lei de Hess de 1840 sobre a soma constante de calor e da formulação da primeira e segunda leis por Clausius e Kelvin em meados do século XIX; o teorema do calor de Nernst de 1906, base da terceira lei, completou a estrutura ao tornar as entropias absolutas acessíveis.

Key figures

• Rudolf Clausius
• Walther Nernst
• Germain Henri Hess

Seminal works

• atkins2018
• mcquarrie1997

Frequently asked questions

Por que os químicos geralmente trabalham com entalpia em vez de energia interna?

A maioria das reações é realizada a pressão atmosférica constante, em vez de volume constante, e a pressão constante o calor trocado é igual à mudança de entalpia, então a entalpia é a função de energia diretamente mensurável e mais conveniente para a química.

A entropia de um sistema químico pode diminuir?

Sim, localmente. Um sistema pode perder entropia, como quando um gás condensa ou um sólido cristaliza, desde que a entropia do ambiente aumente pelo menos na mesma proporção para que a entropia total do sistema mais o ambiente não diminua.