Chemische Thermodynamik ist die Lehre von den Wechselbeziehungen zwischen Chemie und Thermodynamik. Dieses Konzept wird auch als Thermochemie bezeichnet.
Die chemische Thermodynamik bezieht sich daher auf die Umwandlungen von chemischer Energie in thermische Energie und umgekehrt, die bei einer Reaktion zwischen Stoffen mit chemischer Affinität stattfinden, und untersucht die damit verbundenen Variablen. Die Beziehung zwischen Thermodynamik und Energie umfasst die physikalischen Veränderungen der Materie.
Alle diese Umwandlungen erfolgen innerhalb der Grenzen der Gesetze der Thermodynamik.
Die Energie des Universums ist konstant: erster Hauptsatz der Thermodynamik.
Bei jedem spontanen Prozess gibt es immer eine Zunahme der Entropie des Universums: zweiter Hauptsatz der Thermodynamik.
Die Entropie eines perfekten (geordneten) Kristalls bei 0 Kelvin ist Null: dritter Hauptsatz der Thermodynamik.
Die chemische Thermodynamik umfasst nicht nur Labormessungen verschiedener thermodynamischer Eigenschaften, sondern auch die Anwendung mathematischer Methoden zur Untersuchung chemischer Fragestellungen und der Spontaneität von Prozessen.
Die Anfänge der chemischen Thermodynamik liegen in der Arbeit „On the Equilibrium of Heterogeneous Substances“ (1878) von Josiah Willard Gibbs.
Ein Beispiel für die Anwendung der chemischen Thermodynamik ist die Wärme, die beim Laden und Entladen von Solarbatterien in einer Photovoltaikanlage entsteht.
Was sind die Gesetze der Thermochemie?
Neben den thermodynamischen Prinzipien gibt es zwei Gesetze, die die gesamte Disziplin der Thermochemie beherrschen:
Gesetz von Lavoisier und Laplace (formuliert 1780): Die Wärmeübertragung, die eine gegebene chemische Reaktion begleitet, ist gleich und entgegengesetzt zur Wärmeübertragung der entgegengesetzten Reaktion;
Hess'sches Gesetz (formuliert 1840): Die Änderung der Reaktionsenthalpie ist die gleiche wie die Reaktion in einem oder mehreren aufeinanderfolgenden und unabhängigen Stufen (sogar rein hypothetisch).
Die beiden Gesetze wurden empirisch abgeleitet und vor dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik aufgestellt: Sie können jedoch beweisen, dass sie direkte Folgen daraus sind, ebenso wie die Tatsache, dass die Enthalpie H und die innere Energie U thermodynamische Funktionen des Zustands sind.
Beschreibung der chemischen Thermodynamik
Das Hauptziel der chemischen Thermodynamik ist die Aufstellung eines Kriteriums zur Bestimmung der Durchführbarkeit oder Spontaneität einer gegebenen Umwandlung. Auf diese Weise wird die chemische Thermodynamik typischerweise verwendet, um den Energieaustausch vorherzusagen, der in den folgenden Prozessen auftritt: chemische Reaktionen, Phasenänderungen, Lösungsbildung.
Die wichtigsten thermodynamischen Prozesse in einer Reaktion zwischen den wichtigsten chemischen Substanzen sind die folgenden:
Isobarer Prozess: findet bei konstantem Druck statt.
Isochorischer Prozess: Das Volumen bleibt konstant.
Isothermischer Prozess: findet bei konstanter Temperatur statt.
Adiabatischer Prozess: Es ist ein Prozess, bei dem keine Wärmeübertragung stattfindet.
Isentropischer Prozess: findet bei konstanter Entropie statt.
Die folgenden Zustandsfunktionen sind von primärem Interesse in der chemischen Thermodynamik: innere Energie (U), Enthalpie (H), Entropie (S), freie Gibbs-Energie (G).
Die Struktur der chemischen Thermodynamik basiert auf den ersten beiden Hauptsätzen der Thermodynamik. Aus dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik und dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik können vier Gleichungen abgeleitet werden, die als "fundamentale Gibbs-Gleichungen" bezeichnet werden.
Aus diesen vier kann eine Vielzahl von Gleichungen abgeleitet werden, die die thermodynamischen Eigenschaften des thermodynamischen Systems unter Verwendung relativ einfacher Mathematik in Beziehung setzen. Dies umreißt den mathematischen Rahmen der chemischen Thermodynamik.
Was ist ein thermodynamisches System?
Ein thermodynamisches System ist der spezifische Teil des Universums, der untersucht wird. Alles, was sich außerhalb des Systems befindet, wird als Umwelt oder Umgebung betrachtet. Ein System kann sein:
Ein (vollständig) isoliertes thermodynamisches System, das keine Energie oder Materie mit der Umgebung austauschen kann, wie z. B. ein isoliertes Bombenkalorimeter.
Ein thermisch isoliertes System, das mechanische Arbeit, aber keine Wärme oder Materie austauschen kann, wie z. B. ein isolierter geschlossener Kolben oder Ballon.
Ein mechanisch isoliertes System, das Wärme austauschen kann, aber keine Arbeit oder mechanische Materie, wie z. B. ein nicht isoliertes Bombenkalorimeter.
Ein geschlossenes System, das Energie austauschen kann, aber egal ist, wie ein geschlossener Ballon oder Kolben ohne Isolierung.
Ein offenes System, das Materie und Energie mit der Umgebung austauschen kann, wie ein Topf mit kochendem Wasser.
