Termodinámica

Cuando uno piensa en la química, puede imaginarse a un científico en un laboratorio creando una reacción explosiva. Algunas reacciones químicas liberan energía en forma de calor, y los procesos físicos también implican energía. Por ejemplo, cuando el hielo se derrite, necesita energía para pasar del estado sólido al líquido. La termodinámica trata de los cambios de energía que se producen en los procesos físicos y químicos.

• En este artículo nos centramos, específicamente, en la termodinámica de los sistemas químicos.
• Definiremos la termodinámica química, antes de explorar dos de sus leyes clave.
• A continuación, veremos las aplicaciones de la termodinámica química.
• Finalmente, consideraremos la importancia y las limitaciones de la termodinámica química.

Definición de termodinámica química

Analicemos un poco esta definición.

Energía termodinámica

Para entender la termodinámica, tenemos que hablar de la energía. ¿Qué es la energía? Los científicos se esfuerzan por definirla.

Definición de calor

En química, el trabajo (W) se produce cuando una fuerza actúa sobre algo para que se mueva. Por lo tanto, si no hay movimiento, no se realiza ningún trabajo. El calor (Q) es la transferencia de energía a través de interacciones térmicas como la radiación o la conducción.

Todo en el universo está hecho de energía. Esto significa que todo tiene el potencial de realizar trabajo o transferir calor. La energía se almacena de dos modos, que pueden convertirse de uno a otro:

• La energía cinética es la que tiene un objeto debido a su movimiento.
• La energía potencial es la que tiene un objeto gracias a su posición relativa, ya sea con respecto a diferentes partes de sí mismo o a otros objetos.

Todas las formas de energía se engloban en estos dos tipos fundamentales.

Sistemas

En relación con este tema, también hay que considerar los sistemas. En termodinámica, separamos el universo en dos partes, para simplificar nuestros cálculos:

• Un sistema es una sustancia o un conjunto de sustancias y energía. Los sistemas pueden ser abiertos, cerrados o aislados, y esto determina si pueden intercambiar energía o materia entre sí.
• El entorno es, simplemente, todo lo que no está en el sistema.

Así que, en resumen, la termodinámica es el estudio de cómo la energía térmica se convierte en otros tipos de energía dentro de entornos específicos llamados sistemas. En la termodinámica química, nos centramos específicamente, en cómo la energía térmica se convierte en energía química, y la manera en que esto afecta a las reacciones químicas o a los cambios de estado.

Leyes de la termodinámica

La termodinámica química se basa en las cuatro leyes de la termodinámica. Estos cuatro principios básicos, descubiertos por científicos como Isaac Newton y James Joule, nos ayudan a entender cómo se mueve la energía y rigen el estudio de la termodinámica. En este artículo, estudiaremos la primera y la segunda ley.

Primera ley de la termodinámica

Anteriormente, aprendiste sobre la ley de conservación de la energía. Esta dice que:

La primera ley de la termodinámica se basa en la conservación de la energía. Sin embargo, añadimos una frase más:

Llamamos entalpía a la cantidad total de energía de un sistema concreto.

Segunda ley de la termodinámica

La primera ley de la termodinámica nos dice que la energía no puede crearse ni destruirse; explica muchos procesos cotidianos, como la forma en que la corriente eléctrica alimenta una bombilla o la glucosa nos da energía para movernos. Pero, aunque la energía puede utilizarse una y otra vez, no siempre se usa de forma eficiente; de hecho, mucha de ella se desperdicia. Esto ayuda a explicar algunos de los fenómenos más aleatorios que vemos en el universo que nos rodea y constituye la base de la segunda ley de la termodinámica:

Pero, ¿a dónde va esta energía? Contribuye a algo llamado entropía.

Esto nos lleva a la siguiente parte de la segunda ley de la termodinámica:

La segunda ley nos dice que la energía de los sistemas naturales tiende a moverse en la dirección de una mayor entropía o, lo que es lo mismo, de un mayor desorden. Así, explica por qué la energía se mueve en una dirección y no en la otra.

Tercera ley de la termodinámica

Por último, enunciemos la Tercera Ley de la Termodinámica:

Algunas de las implicaciones de la Tercera Ley de la Termodinámica son:

• Cuando la temperatura de un sistema termodinámico se aproxima a cero Kelvin, la entropía del sistema también se aproxima a cero y el movimiento de las partículas en el sistema se detiene.
• Cuando la entropía del sistema se aproxima a cero, la energía cinética del sistema se aproxima a cero.
• Un sistema con entropía cero solo contiene energía potencial.

Aplicaciones de la termodinámica

Hemos conocido las leyes de la termodinámica. Veamos ahora cómo se aplican a los procesos químicos del mundo que conocemos:

Reacciones espontáneas

Podemos combinar los principios de las primeras dos leyes de la termodinámica (la entalpía y la entropía) para predecir si las reacciones son espontáneas o no.

Para determinar si una reacción es espontánea o no, utilizamos una cantidad llamada energía libre de Gibbs (ΔG).

Esta relaciona la entalpía y la entropía con la siguiente ecuación: ΔG = ΔH - TΔS

Ten en cuenta lo siguiente:

• ΔG es el cambio en la energía libre de Gibbs, medido en $\frac{kJ}{mol}$.
• ΔH es el cambio en la entalpía, medido en $\frac{kJ}{mol}$.
• T es la temperatura, medida en K.
• ΔS es el cambio en la entropía, medido en $\frac{kJ}{K·mol}$.

Si ΔG es negativo, entonces la reacción es espontánea. De esta ecuación podemos deducir que las reacciones altamente exotérmicas, o con un gran aumento de entropía, tienden a ser espontáneas.

Ciclos de Born-Haber

Es posible que ya habrá visto la Ley de Hess en algún momento de tu viaje por la química.

Mientras se comience con los mismos reactivos y se termine con los mismos productos, el cambio de entalpía es el mismo; no importa si se hace en un paso, en dos o en quince.

Expresamos la Ley de Hess mediante la siguiente ecuación: ΔH_r = ΔH₁ + ΔH₂

En esta:

• ΔH_r es el cambio de entalpía de la reacción por vía directa.
• ΔH₁ y ΔH₂ son los cambios de entalpía que intervienen en la ruta indirecta.

Una gran aplicación de la ley de Hess es el cálculo de la entalpía de red.

¿Qué es el ciclo de Born-Haber?

El principio aquí es el mismo que el que utilizamos en los ciclos de la Ley de Hess: Si creamos una ruta indirecta hacia los iones gaseosos, podemos utilizar la ecuación de la Ley de Hess para encontrar la entalpía de red. Por ejemplo, podríamos no conocer la ruta directa para la entalpía de red. Sin embargo, podemos calcularla utilizando una ruta indirecta que incluya los cambios de entalpía que sí conocemos.

Resumamos cómo funcionan los ciclos:

1. En una reacción de la que queremos encontrar el cambio de entalpía, podemos crear una ruta indirecta que comienza con los mismos reactivos y termina con los mismos productos. En este caso, queremos encontrar la entalpía de formación de la red.
2. Representamos cada punto de la ruta directa e indirecta como una línea que muestra su entalpía.
3. La diferencia de altura entre las líneas representa el cambio de entalpía entre estos puntos.
4. Escribimos los cambios de entalpía conocidos de la ruta indirecta y los utilizamos para calcular el cambio de entalpía desconocido de la ruta directa.

En la figura 4 puedes ver un ejemplo.

Importancia de la termodinámica química

Ahora veremos la importancia de la termodinámica química. Empecemos con algunas de sus ventajas:

• Es un campo esencial de la ciencia porque explica cómo y por qué se producen muchas reacciones cotidianas.
• Nos permite calcular los cambios de entalpía desconocidos y predecir si una reacción se producirá, o no.
• Nos permite optimizar los procesos químicos y mejorar la eficacia de la transferencia de energía. Por ejemplo, puede ayudarnos a ahorrar en nuestras facturas de energía y a reducir los costes de las reacciones industriales.
• Explica por qué las reacciones alcanzan el equilibrio químico.

Limitaciones de la termodinámica química

Por último, consideraremos algunas de las limitaciones de la termodinámica química:

• No nos da información acerca de la velocidad de una reacción, ni sobre el tiempo que tarda en completarse.
• Se ocupa de los sistemas en su conjunto y no nos da ninguna información sobre las partículas individuales que los componen.

Al haber leído todo el artículo:

1. Ya puedes tener claro qué queremos decir con el término termodinámica química y cómo se relacionan la entalpía y la entropía con sus dos primeras leyes.
2. También has conocido algunas de las aplicaciones de la termodinámica, como el cálculo de los cambios de entalpía y la predicción de la viabilidad de las reacciones, y por qué la termodinámica es un campo científico útil.
3. Por último, comprendes por qué, a pesar de su utilidad, la termodinámica tiene sus limitaciones.