Termodinámica
La termodinámica es la rama de la física que estudia los intercambios de calor y trabajo que acompañan a los procesos fisicoquímicos. Si estos procesos son reacciones químicas, la ciencia que los estudia es la termoquímica. La energía que se intercambia en una reacción química puede ser calorífica, luminosa, eléctrica, etc.
Sistema Termodinámico
Un sistema termodinámico es la parte del universo que aislamos para someterla a estudios fisicoquímicos. Lo que rodea al sistema se denomina entorno, que es la parte del universo externa al sistema. El conjunto formado por sistema y entorno es el universo.
Relación sistema/entorno:
- Sistema abierto: intercambia materia y energía con el entorno.
- Sistema cerrado: intercambia energía con el entorno, pero no materia.
- Sistema aislado: no intercambia ni materia ni energía con el entorno.
Proceso Termodinámico
Un proceso termodinámico puede ser:
- Reversible: se realiza mediante múltiples estados de equilibrio, y un cambio pequeño en alguna condición hace que el sistema evolucione en sentido inverso.
- Irreversible: el sistema evoluciona en un único sentido.
Según la variable que se mantiene constante:
- Isotérmico: la temperatura no varía (proceso a temperatura constante).
- Isobárico: la presión no varía (proceso a presión constante).
- Isocórico: el volumen no varía (proceso a volumen constante).
Energía Interna
La energía interna (U) es la suma de las energías de todas las partículas que forman el sistema y se mide en julios (J). Es una función de estado, ya que depende del estado del sistema.
Primer Principio de la Termodinámica
El primer principio de la termodinámica establece que, cuando un sistema evoluciona de un estado inicial a otro final, la variación que experimenta su energía interna coincide con la suma del calor (Q) y el trabajo (W) que intercambia con el entorno en esa transformación:
ΔU = Q + W
Variación de Entalpía
La variación de entalpía (ΔH) representa el calor que intercambia con el entorno cuando el proceso se realiza a presión constante. La entalpía es una función de estado y se mide en julios (J).
Ecuación Termoquímica
Una ecuación termoquímica es la representación de un proceso en el que, además de las sustancias que intervienen y los coeficientes estequiométricos apropiados a cada una de ellas, se especifica el estado físico en el que se encuentra cada sustancia y la cantidad de calor que interviene en el proceso. También se indica la presión y la temperatura a la que se realiza. El calor se expresa como ΔH.
ΔH < 0: Exotérmico
ΔH > 0: Endotérmico
Ley de Hess
La ley de Hess establece que cuando un proceso se puede realizar, bien directamente o bien a través de una serie de pasos intermedios, la variación de entalpía del proceso directo es igual a la suma de las variaciones de entalpía de cada uno de los procesos que dan lugar al mismo proceso global.
Entalpía de Formación Estándar
La entalpía de formación estándar es la variación de entalpía del proceso en el cual se forma 1 mol de ese compuesto a partir de sus elementos, que se encuentran en condiciones estándar y en su estado termodinámico más estable. Elementos/condiciones estándar/25 °C: entalpía = 0.
Entalpía de Combustión Estándar
La entalpía de combustión estándar es la variación de entalpía del proceso en el cual 1 mol de dicha sustancia reacciona con O2 para dar CO2(g) y H2O(l).
Entalpía de Hidrogenación Estándar
La entalpía de hidrogenación estándar es la variación de entalpía del proceso en el cual 1 mol de una sustancia insaturada capta H2 para convertirse en la sustancia saturada correspondiente.
Entalpía de Enlace
La entalpía de enlace es la energía que se requiere para romper 1 mol de enlaces entre dos átomos.
Entropía
La entropía (S) es la medida del grado de desorden de un sistema. Cuanto mayor es el desorden de un sistema, mayor es su entropía. Se mide en julios por kelvin (J/K) y es una función de estado.
Segundo Principio de la Termodinámica
El segundo principio de la termodinámica establece que un sistema evoluciona de forma espontánea si la entropía del universo aumenta con esa transformación:
- Cuando el sistema cede calor al entorno, aumenta la entropía del entorno.
- Si el sistema absorbe calor del entorno, aumenta la entropía del sistema y disminuye la del entorno. El proceso será espontáneo si la entropía del entorno disminuye menos de lo que aumenta la entropía del sistema.
Tercer Principio de la Termodinámica
El tercer principio de la termodinámica establece que la entropía de una sustancia que se encuentra como un cristal perfecto es cero.
Entropía: Función de Estado
- La entropía es una magnitud intensiva.
- La ΔS de un proceso es igual y de signo contrario a la ΔS del proceso inverso.
- Cuando en una reacción se rompe una molécula en otras más pequeñas, ΔS > 0.
Energía Libre de Formación Estándar (G)
La energía libre de formación estándar (G) es la variación de energía libre del proceso en el cual se forma 1 mol de ese compuesto a partir de sus elementos, cuando estos se encuentran en condiciones estándar y en su estado termodinámico más estable. G = 0: condición estándar/estado termodinámico más estable a 25 °C.
Si ΔG < 0, el proceso es espontáneo en el sentido escrito.
Si ΔG > 0, el proceso no es espontáneo en el sentido escrito, pero sí en el sentido inverso.
Si ΔG = 0, el sistema está en equilibrio.