Conceptos Clave de Termodinámica Química: Entalpía, Entropía y Equilibrio

Conceptos Básicos de Termodinámica

• Proceso endotérmico: Suministra suficiente calor a los reactivos.
• Proceso exotérmico: Aparte de desprender calor, genera nuevas sustancias.
• Sistema termodinámico: Parte del universo dividida arbitrariamente de manera definida con la finalidad de ser objeto de investigación.
• Propiedades termodinámicas de un sistema: Magnitudes que definen el sistema sin ambigüedad. Se clasifican en:
  • Extensivas: Dependen de la cantidad de materia del sistema (masa).
  • Intensivas: No dependen de la cantidad de materia (temperatura).
• Funciones de estado: Variables termodinámicas cuyo valor solo depende del estado actual, sin tener en cuenta el proceso por el que se llega a dicho estado.
• Proceso termodinámico: Transformación en la que un sistema intercambia energía con su entorno, pasando de un estado inicial a un estado final en equilibrio.
• Equilibrio termodinámico: Cuando un sistema no muestra tendencia a realizar cambios en sus propiedades.

Energía Interna, Calor y Trabajo

ΔU (Variación de energía interna): Energía total que almacena un sistema.

ΔU = W + Q

Signos: Del entorno al sistema (+), del sistema al entorno (-).

• Si absorbe calor (Q > 0), (W < 0), el sistema es positivo si Q es positivo.
• Si cede calor (Q < 0), (W > 0), el sistema es positivo si Q es negativo.

W = -pΔV

Tipos de Procesos Termodinámicos

1. Isotérmicos: ΔU = 0; Q = -W (ΔU = 0)
2. Adiabáticos: Q = 0; ΔU = W (ΔU < 0)
3. Isocóricos: W = 0; ΔU = Qv (calor a volumen constante) (ΔU > 0)
4. Isobáricos: Presión constante; W = -pΔV; Qp = ΔU + pΔV; Qp = ΔH

Qp = Qv + pΔV

pΔV = ΔnRT → Qp = Qv + ΔnRT R (8,31 J/Kmol = 0.082 atm·L/Kmol)

Entalpía y Entropía

• Estado estándar de una sustancia: Forma pura más estable a 1 atm y 25 ºC, aunque no es estrictamente necesario. Referirse a condiciones estándar expresa que tanto reactivos como productos se encuentran en estado estándar.
• Entalpía estándar de formación (ΔHfº): Variación de entalpía correspondiente a la formación de 1 mol de sustancia en estado estándar a partir de sus elementos en dicho estado, a los que se les asigna entalpía cero.
• Entalpía de enlace: Variación de entalpía que se produce cuando se disocia 1 mol de moléculas en estado gaseoso en átomos en este estado. Si es en moléculas poliatómicas, es un valor promedio obtenido a partir de moléculas diferentes.
• Reacciones exotérmicas: Presentan valores de ΔH negativos. Se debe a la mayor o menor estabilidad de las moléculas de reactivos y productos, y a los enlaces que se rompen y se forman durante la reacción.
• Entalpía (H): Función de estado que se expresa en unidades de energía y se designa mediante la letra H.
• Entropía (S): Función de estado que mide el grado de desorden molecular de los sistemas. Los cambios de estado la aumentan. Aumenta cuando se desordena. ΔS = Q/T

Principios de la Termodinámica

• Segundo principio: La entropía del universo aumenta en un proceso espontáneo y se mantiene constante en un proceso en equilibrio.
• Tercer principio: La entropía de una sustancia cristalina pura, con ordenamiento perfecto, es nula en el cero absoluto (0 K).

Capacidad Calorífica

• Capacidad calorífica (C): Capacidad de un cuerpo para aumentar su temperatura en 1 Kelvin.
• Calor específico (c): Cantidad de calor que debe recibir la unidad de masa de dicha sustancia para aumentar su temperatura en 1 Kelvin.
• C = cm
• Calor (Q): Cantidad de calor que recibe una sustancia para aumentar su temperatura desde T₀ hasta T. Q = cmΔT