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¿Alguna vez te has preguntado si la Termodinámica tiene algo que ver con tu vida diaria? Trataremos de demostrar que sí: de hecho, la termodinámica y la manipulación de la Energía térmica son muy importantes en las actividades diarias y para llevar a cabo las funciones de tu cuerpo.En este…
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Jetzt kostenlos anmelden¿Alguna vez te has preguntado si la Termodinámica tiene algo que ver con tu vida diaria? Trataremos de demostrar que sí: de hecho, la termodinámica y la manipulación de la Energía térmica son muy importantes en las actividades diarias y para llevar a cabo las funciones de tu cuerpo.
Un cuerpo se encuentra siempre en un estado termodinámico concreto, que está confinado en el espacio por un contenedor que separa el cuerpo del entorno externo. El cuerpo, entonces, contendrá necesariamente un gran número de partículas.
Un sistema termodinámico se podría definir como aquello que estamos estudiando en un momento específico: está completamente especificado por variables de estado, parámetros y constantes.
Un universo está formado por un sistema termodinámico y su entorno externo.
Existen tres tipos de sistemas termodinámicos:
Para revisar las leyes que rigen la termodinámica, primero daremos una definición básica de cada una de las 4 leyes y del concepto de equilibrio térmico:
Dos objetos (sistemas cerrados), inicialmente a temperaturas diferentes, que están en contacto físico, llegan a estar a la misma temperatura si están en contacto durante un tiempo suficiente, gracias al equilibrio térmico.
Por lo tanto, el equilibrio térmico podría definirse como la equidad de temperaturas a la que llegan dos sistemas cerrados cuando están en contacto físico.
En la termodinámica existen cuatro leyes fundamentales:
Considera el siguiente experimento:
Toma dos latas de tu bebida favorita, una la sacas de un congelador y la otra, de encima de una mesa de picnic que está expuesta a la luz del sol. Ata estas dos latas con un poco de cinta y espera unos 30 minutos. ¿Qué piensas que sucederá? ¿Se calentarán más las dos latas, se enfriarán ambas o llegarán a la misma temperatura, que está en algún punto intermedio? Probablemente ya sepas la respuesta: las latas llegarán a la misma temperatura, que está en algún lugar entre frío y calor.
Esta observación se puede reformular de la siguiente manera:
El equilibrio térmico está relacionado con la Ley Cero de la Termodinámica, a partir de la siguiente declaración:
Si un cuerpo C está en equilibrio térmico con otros dos cuerpos, A y B, entonces A y B están en equilibrio térmico entre sí". Max Planck - La teoría de la radiación de calor (1914).
Para explicar la primera ley de la termodinámica exploraremos brevemente algunos conceptos relacionados con los sistemas termodinámicos:
El trabajo termodinámico es la energía en forma de trabajo que el sistema transfiere al entorno externo. Esta energía de trabajo provoca cambios en las variables macroscópicas del entorno, tales como: presión externa, volumen externo, temperatura externa, etc...
El estado termodinámico es la condición de un sistema termodinámico que está determinada por los parámetros del estado de equilibrio, como la presión del sistema, el volumen del sistema, la temperatura del sistema, etc. Es decir, por las variables de estado que ya no cambian cuando se alcanza un estado de equilibrio termodinámico.
Ahora puede parecer extraño decir que "la energía total del universo permanece constante", según la primera ley de la termodinámica. Sin embargo, esta afirmación siempre es correcta y nunca se ha observado un fenómeno que viole esta ley en todo el universo.
La primera ley de la termodinámica también se conoce como la ley de la conservación de la energía, y puede expresarse matemáticamente como:
$$\Delta U=Q-W$$
Donde:
Observamos que la ley de la conservación de la energía (primera ley de la termodinámica) solo se refiere a la medida de la diferencia entre la Energía interna final, Uf, y la energía interna inicial, Ui, de un sistema:
$$\Delta U=U_{f}-U_{i}$$
La energía suministrada al sistema, Q, es la energía transferida al sistema por el entorno externo. La siguiente tabla muestra los tipos de energías que provienen del entorno para varios sistemas termodinámicos:
Tipo de sistema | Flujo de masa | Flujo de trabajo | Flujo de calor |
Sistema abierto | Si | Si | Si |
Sistema cerrado | No | Si | Si |
Sistema aislado | No | No | Si |
Tabla 1: Tipos de sistemas en relación con los flujos.
El trabajo termodinámico, W, realizado por el sistema sobre el entorno externo puede provenir de:
Comencemos nuestra discusión de la Segunda Ley de la Termodinámica con una definición del desorden de un sistema:
La Entropía, S, es una función de estado que calcula el desorden molecular de un sistema termodinámico.
Una función de estado es una función matemática que toma variables de estado como entrada para calcular una función de estado para estados de equilibrio.
El calor instantáneo y el trabajo instantáneo no son funciones de estado, sino funciones de proceso. Las variables de estado son variables independientes de la función de estado (como, por ejemplo: la energía interna, la Entalpía, la temperatura del sistema...); y los cambios espontáneos son procesos que ocurren naturalmente, sin necesitar la entrada de materia o de energía en el sistema.
Nota: Una función de estado es una fórmula matemática que toma una variable de estado como entrada y, normalmente, también incluye constantes y parámetros de estado de equilibrio.
Por ejemplo, consideremos la Ley de los Gases Ideales, para calcular el cambio de temperatura de un sistema termodinámico en Equilibrio químico:
$$\Delta T=\frac{V\cdot \Delta P}{n\cdot R}$$
Supongamos, además, que para este sistema termodinámico particular, el volumen del sistema (V) y el número de moles (n) no cambian en el equilibrio. Así, el volumen y el número de moles para este estado termodinámico ya no varían, sino que se han convertido en parámetros del sistema.
Esto nos deja solo la presión del sistema:
$$\Delta P=P_{f}-P_{i}$$
En este caso, la presión del sistema es la variable de estado, y se usa como entrada para calcular la función de estado para el cambio de temperatura:
$$\Delta T=T_{f}-T_{i}$$
Por último, R es la constante de los Gases ideales.
Ahora consideremos la diferencia entre funciones de estado y funciones de proceso:
En este punto, podemos formular matemáticamente la Entropía de un cambio espontáneo en un sistema aislado:
$$S_{tot}=S_{f}-S_{i}>0$$
Donde:
Observa que la diferencia de entropía es una función de estado.
En particular, para sistemas aislados que experimentan cambios espontáneos, la fórmula de la entropía es equivalente a la segunda ley de la termodinámica:
$$S_{tot}=S_{f}-S_{i}>0$$
Existen diferentes formas de la segunda ley de la termodinámica para diferentes sistemas y diferentes condiciones. Discutiremos algunos de estos en la sección Ejemplos de las leyes de la termodinámica.
Finalmente, enunciamos la tercera ley de la termodinámica:
El cambio de entropía que acompaña a cualquier transformación física o química se acerca a cero cuando la temperatura se acerca a cero: ΔS → 0 cuando T → 0". Peter Atkins, Química Física, 1998.
Algunas de las implicaciones de la tercera ley de la termodinámica son:
La energía libre (G) es una medida de la capacidad de un sistema termodinámico para provocar cambios dentro del sistema. Este cambio, o trabajo útil, puede tomar la forma de fuerza motriz de una reacción química, un cambio de fase, un cambio en el calor absorbido por el sistema, etc.
La ecuación de energía libre de Gibbs se aplica a sistemas termodinámicos en Equilibrio químico que también están a temperatura y presión constantes. Matemáticamente:
$$G = H - TS$$
Donde:
La entalpía de formación (H) es equivalente a la energía potencial que se almacena como calor dentro de los Enlaces químicos de un compuesto.
Al igual que con la entalpía (H), la energía libre de Gibbs y la entropía del sistema no se pueden medir directamente. Solo la diferencia en la energía libre de Gibbs se puede medir para cualquier sistema:
$$\Delta G=\Delta H-T\Delta S$$
Donde:
Por lo tanto, la energía libre de Gibbs es una función de estado.
Hablemos un poco acerca de la energía libre de Gibbs, asociada a la hidrólisis del trifosfato de adenosina (ATP)
La energía libre de Gibbs estándar para la hidrólisis de ATP es:
$$ATP+H_{2}O\rightarrow ADP-OH+P_{i}+H^{+}$$
Donde, los productos son: difosfato de adenosina, ADP-OH, fosfato inorgánico, Pi, y un ion hidronio, H+.
La energía libre de Gibbs liberada durante esta reacción es:
$$\Delta G^{o}=-31\frac{kJ}{mol}$$
Ahora, podemos preguntar: ¿por qué son importantes las leyes de la termodinámica?
Pues, la termodinámica muestra que la hidrólisis de ATP libera una gran cantidad de energía libre que el cuerpo utiliza para impulsar reacciones metabólicas que mantienen el estado de vida.
La ley cero de la termodinámica: Cuando un sistema cerrado a una temperatura más alta interactúa con un sistema cerrado a una temperatura más baja, la energía en forma de calor se transfiere al sistema cerrado que está a una temperatura más baja, hasta que se alcanza el equilibrio térmico.
La primera ley de la termodinámica: La energía total del universo permanece constante
La segunda ley de la termodinámica: El desorden del universo, de un sistema y de su entorno siempre aumenta por un proceso que ocurre naturalmente, es decir, sin el intercambio de materia o energía externa al sistema.
La primera ley de la termodinámica: La energía total del universo permanece constante.
Algunos ejemplos son:
Un niño lanza una pelota al aire.
En el momento en que sale de sus manos la pelota tiene velocidad; por lo tanto, tiene energía cinética. Todavía no ha ganado altura, por lo tanto no tiene energía potencial.
Mientras va subiendo, pierde velocidad y gana altura. Pierde energía cinética y gana energía potencial.
Cuando llega en el punto más alto, solo tiene energía potencial.
Finalmente, vuelve a bajar y las energías se vuelven a invertir.
La suma total de la energía en el sistema nunca cambia.
El aumento de la entropía de forma natural en el universo es una ley que indica que existen procesos que siempre van a llevarse, de cierta manera, con ciertos resultados, independientemente de nuestra intervención sobre ellos. Así, es necesario vivir nuestra cotidianidad atentos a la fecha de vencimiento de los productos que usamos, a la caída de lluvia en un día caluroso o al cansancio que vivimos, incluso cuando no realizamos ninguna actividad física relevante.
La tercera ley de la termodinámica: El desorden de un sistema se acerca a cero cuando la temperatura se acerca a cero.
ΔS → 0 cuando T → 0
Tarjetas en Leyes de la termodinámica50+
Empieza a aprenderLos procesos endotérmicos ______ energía en forma de calor.
Absorben.
Los procesos exotérmicos ______ energía en forma de calor.
Liberan.
Las reacciones químicas implican cambios en la energía potencial del sistema, que se transforma en:
Energía cinética molecular.
¿En qué unidades se mide la entalpía?
kJ mol-1 .
¿Cuándo se alcanza el equilibrio químico?
Se alcanza cuando una reacción reversible llega a un punto en el que no hay cambios en las concentraciones de reactivos y productos.
La energía total es la suma de:
La energía potencial y la energía cinética.
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