Alcuni concetti base di termodinamica

Per stabilire se una reazione chimica ha luogo spontaneamente oppure no occorre esaminarne gli aspetti energetici, cioè le variazioni di energia implicate nella trasformazione e i fattori che possono influire su tali variazioni. La forma di energia più diffusamente coinvolta nelle reazioni chimiche è il calore e la parte della chimica che si occupa di questi aspetti è la termochimica. La termochimica opera secondo i principi generali della termodinamica, la scienza che stabilisce i concetti fondamentali per studiare i trasferimenti di energia, tra sistemi chimici o fisici, sotto forma di calore o lavoro . Le basi della termodinamica poggiano sul primo e sul secondo principio.

Si definisce sistema l'insieme dei corpi (o il singolo corpo) oggetto di indagine, distinto dall'ambiente, che è tutto ciò che si trova al di fuori del sistema; sistema e ambiente sono separati da un confine, attraverso il quale si verificano gli scambi di energia e/o di materia. (Un sistema chimico può essere, per esempio, un cristallo di zolfo, una determinata massa d'acqua o un certo volume di una soluzione di cloruro di sodio a concentrazione nota, o una mole di gas).

Un sistema è detto:

chiuso, se può scambiare con l'ambiente solo energia;

aperto, se può scambiare con l'ambiente energia e materia;

isolato, se non può scambiare con l'ambiente né materia né energia.

Lo stato di un sistema è definito dal valore delle grandezze che lo caratterizzano: temperatura, pressione, volume e composizione. Tali grandezze sono anche chiamate variabili di stato. Quando tali grandezze si mantengono costanti nel tempo il sistema si trova in uno stato di equilibrio; quando una o più di esse variano, varia lo stato del sistema, cioè avviene una trasformazione di stato, e tale trasformazione è indipendente dal cammino percorso dal sistema, cioè dal modo in cui esso si è trasformato.

Si definisce energia interna, U, di una sistema la somma di tutte le energie, cinetica e potenziale, possedute dalle particelle che lo costituiscono.

L'energia cinetica di un sistema di molecole è connessa ai diversi tipi di moto (di traslazione, di rotazione e di vibrazione) che possono compiere le molecole (l'energia cinetica media corrisponde all'energia termica del sistema).

L'energia potenziale di un sistema di molecole ne rappresenta l'energia chimica ed è connessa all'energia di legame intramolecolare (legami tra atomi) e intermolecolare (forze di van der Waals e legami a idrogeno).