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La thermodynamique chimique est la branche de la chimie physique qui étudie les échanges d'énergie aux substances chimiques et dans les milieux réactionnels. Elle se trouve sur le plan disciplinaire à l'interface entre la chimie et la thermodynamique. C'est une branche fondamentale de la chimie.
La thermodynamique chimique inclut la thermochimie, qui étudie les échanges de la chaleur, une forme de l'énergie, aux substances chimiques et dans les milieux réactionnels. Les réactions qui dégagent de la chaleur sont dites exothermiques, tandis que celles qui en absorbent sont endothermiques. La mesure des chaleurs de réaction est effectuée par calorimétrie, soit à pression constante dans un calorimètre, soit à volume constant dans une bombe calorimétrique. Celle-ci, mise au point en 1881 par Marcellin Berthelot, permet de mesurer le pouvoir calorifique d’un combustible. Berthelot est de ce fait considéré comme le fondateur de la thermochimie.
En plus de la thermochimie, la thermodynamique chimique étudie diverses formes de travail aux systèmes chimiques, y compris le travail mécanique, le travail électrique et le travail chimique. La thermodynamique chimique s’est beaucoup développée au cours du XXe siècle. L’application du deuxième principe de la thermodynamique aux systèmes chimiques a permis, entre autres, de prévoir le sens des réactions, le positionnement des équilibres chimiques et donc de définir le rendement et la composition du système après réaction.