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Termodinamica

Obiettivi e definizione della termodinamica

Se volessimo rispondere alla domanda "Perchè due sostanze reagiscono tra loro?" potremmo superficialmente rispondere dicendo "Le sostanze reagiscono tra loro perchè hanno affinità chimica l'una per l'altra".

La risposta però non ci consentirebbe di prevedere quando due specie chimiche possono reagire, e tanto meno di comprendere perchè da esse si formano determinati prodotti piuttosto che altri.

Di qui la necessità di una esatta valutazione dei fenomeni chimici che ci consenta di esprimere con un numero l'affinità chimica delle sostanze.

Questa naturale esigenza viene pienamente soddisfatta dalla Termodinamica Chimica, il cui obiettivo principale è appunto l'interpretazione dei fenomeni chimici mediante leggi generali per mezzo delle quali sia possibile:

  • Prevedere se in determinate condizioni sperimentali una reazione chimica può avvenire spontaneamente;
  • Avere precise indicazioni sulle condizioni più adatte affinchè la resa della reazione sia massima.

Termodinamica classica

In generale, la termodinamica studia gli scambi di energia tra il sistema e l'ambiente con lo scopo di individuare le condizioni in cui il sistema è in equilibrio oppure quelle in cui tende ad evolvere spontaneamente.

La situazione di equilibrio corrisponde a un sistema (detto sistema termodinamico) le cui caratteristiche macroscopiche (temperatura, pressione, volume, concentrazione) sono costanti nel tempo.

La situazione di "evoluzione" si riferisce a un sistema che cambia le sue coordinate per portarsi all'equilibrio.

La termodinamica poggia essenzialmente su due principi: il primo principio della termodinamica che esprime l'impossibilità di creare e di distruggere energia, che può invece essere trasformata da una forma ad un'altra; il secondo principio della termodinamica che esprime l'impossibilità per il calore di fluire da un corpo freddo a uno più caldo.

Dalla elaborazione di questi due principi è possibile derivare i concetti fondamentali che consentono di prevedere l'andamento dei fenomeni chimici.

Le trasformazioni spontanee e le condizioni di equilibrio possono essere previste studiando alcune funzioni di stato termodinamiche, quali l'entalpia (H), l'entropia (S), l'energia libera (G).

Queste grandezze permettono di correlare molte proprietà dei composti chimici.

Le teorie della termodinamica classica non richiedono la conoscenza della struttura intima della materia.

Per tale motivo i concetti fondamentali della termodinamica, che risalgono ad oltre un secolo fa, sono tutt'ora validi perchè sganciati dalle teorie, in continua evoluzione, sulla costituzione della materia; i principi della termodinamica, inoltre, non derivano da leggi generali ma rappresentano la sintesi di una quantità enorme di risultati sperimentali conseguiti dall'uomo nel corso del tempo, inconsciamente prima, scientificamente dopo.

La contropartita di questa validità generale dei concetti termodinamici è che essi non consentono di trarre informazioni nè sul meccanismo dei fenomeni ai quali vengono applicati, nè sul tempo necessario perchè essi si compiano: la termodinamica consente di prevedere, ad esempio, se una reazione - in determinate condizioni sperimentali - può avere luogo o meno.

Nel caso essa possa avere luogo, non dà alcuna informazione nè sul meccanismo molecolare nè sulla velocità con cui avviene.

Tali informazioni sono fornite da un'altra branca della chimica: la cinetica chimica.

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