Conceptos Fundamentales de Termodinámica: Energía, Entalpía y Entropía

Primer Principio de la Termodinámica

Este principio se basa en la aplicación del principio de conservación de la energía, que mantiene el hecho de que la energía ni se crea ni se destruye. Por esa razón, la cantidad de energía total del universo permanece constante.

Generalmente, un sistema termodinámico intercambia calor (Q) y trabajo (W) con su entorno, modificando de esta forma la energía total del sistema, lo cual recibe el nombre de energía interna (U).

Cuando un sistema intercambia calor y trabajo con el entorno, se modifica su energía interna. Como establece el Primer Principio de la Termodinámica: "La variación de la energía interna (ΔU) de un sistema es igual a la suma del calor (Q) intercambiado entre el sistema y su entorno, y el trabajo (W) realizado por o sobre él".

Si el flujo de calor y de trabajo desde el entorno hacia el sistema se considera positivo, se dice que son procesos endotérmicos (para calor) o que se realiza trabajo sobre el sistema. Lo contrario aplica para procesos exotérmicos o trabajo realizado por el sistema.

Aplicaciones del Primer Principio

El Primer Principio de la Termodinámica se aplica a diversos procesos, cada uno con características específicas:

• Procesos Isotérmicos

  En un proceso isotérmico, la temperatura (T) permanece constante (T = cte). Esto implica que la variación de energía interna es cero (ΔU = 0), por lo que el calor intercambiado es igual al negativo del trabajo realizado (Q = -W). Es decir, el calor intercambiado entre el sistema y el entorno es igual al trabajo desarrollado por o sobre él.

• Procesos Adiabáticos

  En un proceso adiabático, no hay intercambio de calor con el entorno (Q = 0). Por lo tanto, la variación de energía interna del sistema es igual al trabajo desarrollado por o sobre él (ΔU = W).

• Procesos Isocóricos

  En un proceso isocórico, el volumen (V) del sistema permanece constante (V = cte). Esto significa que la variación de volumen es cero (ΔV = 0) y, por ende, no se realiza trabajo (W = 0). En este caso, la variación de energía interna del sistema es igual al calor intercambiado a volumen constante (ΔU = Qv).

• Procesos Isobáricos

  En un proceso isobárico, la presión (P) se mantiene constante (P = cte). La variación de energía interna del sistema es igual a la suma del calor intercambiado a presión constante y el trabajo desarrollado por o sobre él (ΔU = Qp + W).

Entalpía Estándar de Formación

La entalpía estándar de formación se representa por ΔH°f y se define como el calor transferido en una reacción química a presión constante (P = cte) cuando las condiciones de presión y temperatura son estándar: 1 atmósfera (atm) y 25 °C (298 K). Las entalpías de reacción podemos diferenciarlas en entalpías de formación o de combustión.

Entalpía de Enlace

Los valores de las entalpías estándar de una reacción pueden dar una idea de la estabilidad de los reactivos y los productos. Así, si una reacción es exotérmica (libera calor), los productos son más estables que los reactivos (y viceversa, si es endotérmica, los productos son menos estables). En toda reacción química se rompen y se forman enlaces. La ruptura de enlaces supone un consumo de energía, mientras que la formación de enlaces implica un desprendimiento de energía.

Entropía (S)

La entropía (S) es una función de estado que mide el grado de desorden molecular de los sistemas. Si la entropía aumenta, el sistema se desordena; y si disminuye, aumenta el orden molecular.