Termodinámica Química

1. La Primera Ley de la Termodinámica: Energía, Trabajo y Calor

La termodinámica estudia la transferencia de energía entre los sistemas físicos y su entorno. Un sistema físico o químico es una porción de materia seleccionada para su estudio, y el entorno constituye el resto del universo. La energía de un sistema se puede desglosar en externa e interna:

• **Energía externa:** Aquella que el sistema, considerado en su conjunto, posee a causa de su movimiento o de su posición respecto de la Tierra.
• **Energía interna (U):** La que tiene en virtud del movimiento y las posiciones relativas de las partículas que lo forman consideradas de forma individual.

Hay dos formas de transferir energía a un sistema desde su entorno:

• Haciendo **trabajo (W)** sobre él.
• Transfiriéndole energía mediante **calor (Q)**.

De acuerdo con el convenio termodinámico moderno, tanto el calor como el trabajo se consideran positivos cuando aumentan la energía del sistema y negativos cuando la disminuyen.

Primera Ley de la Termodinámica

El incremento de energía interna de un sistema, ΔU, es igual a la suma del calor y el trabajo intercambiados con el entorno: ΔU = Q + W

Trabajo (W)

El trabajo de compresión o expansión de un gas se calcula con la expresión: W = -P_extΔV

• Si el sistema se expande (ΔV > 0) → W < 0, el trabajo lo hace el sistema.
• Si el sistema se comprime (ΔV < 0) → W > 0, el trabajo se hace sobre el sistema.

Calor (Q)

Q = C(T₂ – T₁)

La **capacidad calorífica específica o calor específico** de una sustancia es igual a la cantidad de calor necesaria para aumentar 1ºC la temperatura de 1g de esa sustancia. Por tanto, el calor absorbido o cedido por una sustancia de masa m y de capacidad calorífica específica C_e es:

Q = mC_e(T₂ – T₁)

• Si la sustancia se calienta, ΔT es positivo y, por tanto, Q es positivo y viceversa.

2. Energía Interna y Entalpía de Reacción

El calor de reacción o la energía intercambiada en una reacción química a volumen constante es igual al incremento de la energía interna del sistema reaccionante: Q_v = ΔU

Concepto de Entalpía de Reacción

El calor de reacción o energía intercambiada en una reacción química a presión constante (Q_p) es igual al incremento de **entalpía** del sistema reaccionante: Q_p = ΔH

5. Entalpía Estándar de Formación de una Sustancia

Se denomina **entalpía estándar molar de formación** de un compuesto (ΔH_f,m) a la variación de entalpía correspondiente a la formación de 1 mol del compuesto a partir de sus elementos en su forma más estable en condiciones estándar. El concepto de entalpía de formación puede ampliarse y utilizarse también para los elementos. La entalpía de formación de cualquier elemento en su forma más estable en estado estándar será 0.

6. Cálculo de la Entalpía Estándar de una Reacción. Ley de Hess

La entalpía estándar de una reacción es igual a la suma de los valores de ΔH_f,m de los productos, multiplicados por sus coeficientes estequiométricos, menos la suma de los valores de ΔH_f,m de los reactivos, multiplicados también por sus respectivos coeficientes estequiométricos.

Ley de Hess

Si una reacción se puede dividir en una serie de etapas, la variación de la entalpía estándar de la reacción global es la misma que la suma de las entalpías estándar de cada una de las etapas.

7. Energía de Enlace

La **entalpía estándar molar de disociación de un enlace** (ΔH_d,m) es el cambio de entalpía que tiene lugar cuando 1 mol de enlaces de un tipo determinado se rompe en condiciones estándar.

9. Entropía y Desorden. Segundo Principio de la Termodinámica

Cuanto mayor es el valor de la **entropía** en un sistema, mayor es el grado de desorden en sus partículas y, por tanto, mayor es la probabilidad de que el sistema se encuentre en ese estado. La entropía de una sustancia aumenta al incrementar su temperatura y al aumentar su volumen.

Segundo Principio de la Termodinámica

En un sistema aislado se produce un cambio espontáneo si la variación de la entropía total que acompaña al proceso es positiva: ΔS_total = ΔS_sistema + ΔS_entorno

10. Energía Libre de Gibbs

Se define así una nueva función termodinámica denominada **energía libre de Gibbs, G** (en honor al químico americano Gibbs, que formalizó matemáticamente la termodinámica química): G = H – TS. La variación de esta función, ΔG, se define como: ΔG = ΔH – TΔS

Energía Libre de Gibbs y Tipos de Reacciones

• Reacción exotérmica (ΔH negativa) con ΔS positiva: Espontánea.
• Reacción endotérmica (ΔH positiva) y ΔS positiva: Espontánea a altas temperaturas.
• Reacción endotérmica (ΔH positiva) con ΔS negativa: No espontánea.

11. Velocidad de Reacción Química

La velocidad de una reacción es una magnitud positiva que expresa el cambio de la concentración de reactivos o productos por unidad de tiempo.