Noen prosesser er spontane, andre ikke. Vannet renner mot havet, stein forvitrer og biler ruster, og det trengs energi for å sortere kortene i en kortstokk. Oksygen og hydrogengass kan omdannes til vann, men den omvendte reaksjonen skjer ikke uten tilførsel av energi.
Det er energiflyt fra et stoff til et annet, og det skjer bytte av varme mellom kjemiske systemer og omgivelser. Systemet kan bytte energi med omgivelsene via arme og arbeid. Når varme absorberes øker systemets energi, og når varme tapes synker systemets energi. Når elektrisk strøm brukes til å lade et bilbatteri så absorberer batteriet energi, og energien til batteriet øker. Det er to måter å utlade et batteri, enten ved kortslutning hvor energien gir varme, eller ved å drive en motor som gir arbeid, men endringen i den indre energien til batteriet blir den samme i begge tilfellene.
Den totale energien til et system er summen av kinetisk energi og potensiell energi til systemet:
Total energisystem = Kinetisk energisystem + Potensiell energisystem
Endringen i indre energi ΔE i en reaksjon er sluttenergien minus startenergien, eller energien til produktene minus energien til reaktantene. Det settes alltid opp som slutt-start:
\(\Delta E = E_{slutt}-E_{start}\)
\(\Delta E= E_{produkter}-E_{reaktanter}\)
Hvis systemet absorberer energi fra omgivelsene blir sluttenergien større enn startenergien og ΔE blir positiv (endoterm reaksjon). ΔE er negativ, en eksoterm reaksjon, hvis systemet avgir energi til omgivelsene. Eksoterme reaksjoner har en tendens til å skje spontant, men ikke nødvendigvis raskt.
Termodynamikkens 1. lov kobler forandring i indre energi (ΔE) til arbeid (w) og varme (q):
\(\Delta E= q\;+\;w\)
hvor q er absorbert eller avgitt varme og w er utført eller tilført arbeid:
q er positiv hvis varme tilføres systemet
q er negativ hvis varme avgis fra systemet
w er positiv hvis systemet mottar energi hvis det gjennomføres arbeid, f.eks. sammenpressing av en spiralfjær. Hvis systemet utfører arbeid, tømmes energien og w er negativ.
Når gass presses sammen ved et ytre trykk utføres det arbeid:
\(w=-P \Delta V\)
Gass under trykk kan utføre arbeid, e.g. skyve et stempel. Arbeid er kraft x vei, og trykk P er kraft per areal:
\(arbeid\;\left(w\right)=kraft\;\left(F\right)\cdot vei\;\left(L\right)\)
\(P=\frac{F}{L^2}\)
\(w=P \Delta V=\frac{F}{L^2}L^3=FL\)
Endring i entalpi (ΔH) i en reaksjon er:
\(\Delta H= \Delta E + P \Delta V\)
Den eneste gangen ΔH er forskjellig fra ΔE er hvis det dannes eller forbrukes gass i reaksjonen. Når ΔH er negativ er det en eksoterm reaksjon. Når ΔH er positiv er den en endoterm reaksjon.
Entropi S er graden av uorden til systemet.
\(\Delta S=\Delta S_{slutt} - \Delta S_{start}\)
\(\Delta S= \Delta S_{produkter} - \Delta S_{reaktanter}\)
Når ΔS er positiv er det en økning i entropi. En prosess som følges av økning i entropi tenderer mot å skje spontant. For en gass øker entropien med økende volum. Jo høyere temperatur, desto større entropi.
I rekkefølgen fastfase → væske → gass er det en økende uorden og økende entropi. Jo mindre komplekse molekylene blir desto lavere entropi, og entropi er også et mål på orden.
Ifølge termodynamikkens 2. Lov så vil en spontan prosess følges av økning i entropi. Entropien ved det absolutte nullpunkt er lik null. Enheten for entropi er J mol-1 K-1.
Gibbs fri energi (etter Josiah Willard Gibbs (1839-1903) er et mål på hvor mye energi som er tilgjengelig for å utføre arbeid.
\(\Delta G= \Delta H - T \Delta S\)
\(\Delta G = \Delta G_{slutt} - \Delta G_{start}\)
Ved konstant trykk og temperatur så vil en prosess skje spontant hvis den følges av en minskning i fri energi til systemet. Reaksjon som skjer når fri energi minsker kalles eksergonisk. Reaksjon som skjer når fri energi øker kalles endergonisk. Når ΔH er negativ (eksoterm) og ΔS er positiv (økning i entropi) så blir ΔG negativ og reaksjonen skjer spontant.
Når ΔH er positiv (endoterm) og ΔS er negativ (minskning i entropi) så blir ΔG positiv og reaksjonen skjer ikke spontant.
Når ΔH er positiv og ΔS er positiv (økning i entropi) så vil prosessen være spontan ved høy temperatur, men ikke ved lav.
Når ΔH er negativ (eksoterm) og ΔS er negativ (økning i entropi) så blir ΔG negativ og reaksjonen skjer spontant.
Diamant og grafitt består begge av karbon. I grafitt er det kovalente plater med karbonatomer som glir over hverandre. I diamant danner karbon tetraeder i et nettverk. Det er mulig å lage syntetiske diamanter fra grafitt ved trykk høyere enn 100.000 atmosfærer og temperatur 2800oC.