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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…
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Jetzt kostenlos anmeldenCuando 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.
La termodinámica química es el estudio de la energía térmica (calor) en procesos químicos y físicos, como las reacciones químicas y los cambios de estado. Trata de cómo la energía térmica se convierte en otros tipos de energía y cómo esto afecta las propiedades de un sistema.
Analicemos un poco esta definición.
Para entender la termodinámica, tenemos que hablar de la energía. ¿Qué es la energía? Los científicos se esfuerzan por definirla.
La energía es la capacidad de realizar un trabajo o de transferir 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:
Todas las formas de energía se engloban en estos dos tipos fundamentales.
Por ejemplo, la energía térmica es una forma de energía cinética. Sin embargo, como toda energía, puede convertirse en otras formas, como la energía química o la energía eléctrica.
En relación con este tema, también hay que considerar los sistemas. En termodinámica, separamos el universo en dos partes, para simplificar nuestros cálculos:
Por ejemplo, si una reacción tiene lugar en un frasco, el frasco es el sistema. Todo lo que está fuera del frasco es el entorno.
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.
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.
Anteriormente, aprendiste sobre la ley de conservación de la energía. Esta dice que:
"La energía no puede crearse ni destruirse, sólo se convierte de una forma a otra".
La primera ley de la termodinámica se basa en la conservación de la energía. Sin embargo, añadimos una frase más:
"La cantidad total de energía en el universo es constante".
Llamamos entalpía a la cantidad total de energía de un sistema concreto.
La entalpía (H) es una medida de la energía térmica de un sistema químico. Se suele medir en
Dentro de un sistema, la energía puede cambiar de una forma a otra. También puede transferirse del sistema a su entorno. Sin embargo, la cantidad total de energía en todo el universo siempre es la misma.
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:
"No toda la energía térmica se convierte en energía útil".
Pero, ¿a dónde va esta energía? Contribuye a algo llamado entropía.
La entropía (S) es una medida del desorden de un sistema. Cuanto mayor es el desorden, mayor es la entropía.
Se suele medir en .
Esto nos lleva a la siguiente parte de la segunda ley de la termodinámica:
"En los cambios espontáneos, el universo tiende a un estado de mayor entropía".
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.
Algunos ejemplos de aumento de la entropía son la disolución de sólidos o la mezcla de gases.
Por último, enunciemos la Tercera Ley de la Termodinámica:
"El cambio de entropía que acompaña a cualquier transformación física o química se aproxima a cero, a medida que la temperatura se aproxima a cero: ΔS → 0 a medida que T → 0" Peter Atkins, Physical Chemistry, 1998.
Algunas de las implicaciones de la Tercera Ley de la Termodinámica son:
Hemos conocido las leyes de la termodinámica. Veamos ahora cómo se aplican a los procesos químicos del mundo que conocemos:
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.
Las reacciones espontáneas son aquellas que se producen sin intervención externa, como el aporte de energía. También se denominan reacciones factibles.
Algunos ejemplos de reacciones espontáneas son la disolución de sales, la oxidación del hierro o la fusión del hielo.
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:
La entropía se suele medir en . Asegúrate de convertirla en dividiendo por 1000.
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.
Es posible que ya habrá visto la Ley de Hess en algún momento de tu viaje por la química.
La ley de Hess establece que el cambio de entalpía de una reacción es siempre el mismo, independientemente del camino que se tome.
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: ΔHr = ΔH1 + ΔH2
En esta:
El cambio de entalpía se mide, típicamente, en .
Pero, siempre que mantengas todas tus unidades consistentes, se puede calcular en
Una gran aplicación de la ley de Hess es el cálculo de la entalpía de red.
La entalpía de red (ΔLEH°), también conocida como entalpía de formación de red, es el cambio de entalpía cuando se forma un mol de una red iónica a partir de sus iones gaseosos en condiciones estándar.
Un ciclo de Born-Haber es un modelo teórico basado en la ley de Hess que utilizamos para calcular la entalpía de red.
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:
En la figura 4 puedes ver un ejemplo.
No te preocupes si te parece un poco confuso: repasaremos cada término con más detalle en Ciclos de Born Haber.
Ahora veremos la importancia de la termodinámica química. Empecemos con algunas de sus ventajas:
Por último, consideraremos algunas de las limitaciones de la termodinámica química:
Al haber leído todo el artículo:
Las tres primeras leyes de la termodinámica dicen (respectivamente) que la energía se convierte de una forma a otra al ser constante, que esta energía se llama entalpía y que la energía que no se convierte se denomina la entropía.
La primera ley de la termodinámica se basa en la conservación de la energía, que nos dice
"La energía no puede crearse ni destruirse, sólo se convierte de una forma a otra" y "La cantidad total de energía en el universo es constante".
Llamamos entalpía a la cantidad total de energía de un sistema concreto.
La energía puede utilizarse una y otra vez, pero 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: "No toda la energía térmica se convierte en energía útil".
Pero, ¿a dónde va esta energía? Contribuye a algo llamado entropía.
La energía es la capacidad de realizar un trabajo o de transferir calor.
En química:
La termodinámica química es el estudio de la energía térmica (calor) en los procesos químicos y físicos, como las reacciones químicas y los cambios de estado.
Trata de cómo la energía térmica se convierte en otros tipos de energía y cómo esto afecta las propiedades de un sistema.
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