Fundamentos y Leyes de la Termodinámica: Principios Esenciales

Conceptos Fundamentales de la Termodinámica

Sistemas Termodinámicos

Para estudiar el mundo material, la termodinámica escoge una porción del universo sobre la que centra su atención, denominada Sistema. El resto del universo se define como el ambiente o entorno.

Clasificación de los Sistemas

• Sistemas abiertos: Aquellos que pueden intercambiar tanto energía (en forma de trabajo o calor) como materia con su entorno. Ejemplo: un vaso de agua abierto.
• Sistemas cerrados: Aquellos que pueden intercambiar energía con los alrededores, pero no materia. Ejemplo: un bote de pepinillos cerrado.
• Sistemas aislados: Aquellos que no pueden intercambiar ni energía ni materia con el ambiente; por lo tanto, la cantidad total de energía permanece constante. Ejemplo: un termo ideal.

Estado de un Sistema

Se define como el conjunto de propiedades físicas y químicas de un sistema. En el caso de un sistema termodinámico, estaríamos hablando de propiedades macroscópicas tales como la presión (P), el volumen (V), la masa (M), la temperatura (T), la concentración química y la concentración de cada componente.

Estados de Equilibrio

La termodinámica se ocupa exclusivamente de sistemas que se encuentran en estado de equilibrio (aquellos cuyas variables de estado no cambian con el tiempo). Su objetivo es estudiar cuánto cambian las variables de ese sistema entre dos estados de equilibrio: uno inicial y otro final.

Primer Principio de la Termodinámica

Todo sistema posee una propiedad termodinámica llamada energía interna (U), que toma un valor definido para cada estado y que aumenta cuando el sistema absorbe calor (q) o soporta un trabajo (W). La expresión matemática es:

ΔU = q + W

Segundo Principio de la Termodinámica

En todo proceso espontáneo, se produce un aumento de la entropía total del universo. Este segundo principio no se opone a que la entropía de un sistema disminuya; lo que el segundo principio exige es que la valoración global de entropía sea positiva.

ΔS_TOTAL = ΔS_UNIVERSO = (ΔS_SISTEMA + ΔS_AMBIENTE) > 0

Ley de Hess

La entalpía de una reacción solo depende de las sustancias iniciales y finales, y su valor es el mismo si el proceso transcurre en una o en varias etapas. Esta ley permite calcular entalpías de reacción de procesos que no son directamente medibles por medio de un ciclo o bucle termodinámico. La Ley de Hess garantiza que la variación de entalpía global es independiente del camino seguido:

ΔH_total = ΔH₁ + ΔH₂ + ΔH₃ + ΔH₄