Termodinámica: Conceptos Fundamentales y Leyes Clave

Energía Libre de Gibbs

La energía libre de Gibbs es una cantidad que intenta medir el trabajo útil que se puede obtener a través de transformaciones isotérmicas e isobáricas en sistemas termodinámicos.

Si un sistema termodinámico evoluciona de un estado inicial a otro estado final, la energía libre de Gibbs (ΔG) es igual al trabajo total intercambiado entre el sistema y sus alrededores, menos el trabajo de presión (PΔV) experimentado por el sistema durante las transformaciones (reversibles) que conectan estos dos estados.

Sinónimos: energía libre, entalpía libre, potencial termodinámico a presión constante.

Procesos espontáneos: (ΔG < 0: espontáneo/irreversible), (ΔG > 0: no espontáneo), (ΔG = 0: equilibrio)

Entropía

La entropía es una magnitud termodinámica que se asocia con el grado de desorden de un sistema termodinámico. Representa la energía que no se puede transformar en trabajo en transformaciones termodinámicas. Es una función de estado, cuyo valor siempre crece durante los procesos naturales en sistemas aislados.

Entalpía

La entalpía es una magnitud física que mide la energía de un sistema termodinámico disponible en forma de calor a presión constante. En el Sistema Internacional de Unidades, la unidad de entalpía es el julio (J), y esta magnitud se representa con el símbolo H.

La entalpía es la cantidad de energía contenida en una sustancia que se somete a una reacción. Calcula el calor de un sistema y se utiliza para expresar el contenido calórico de un componente en una reacción química. La variación de entalpía (ΔH) es la diferencia entre la entalpía de los reactivos y los productos, y representa el calor liberado o absorbido en una reacción.

No hay manera de determinar la cantidad absoluta de energía en una sustancia, pero podemos conocer y medir su variación.

Leyes de la Termodinámica

Las principales definiciones de las propiedades termodinámicas se encuentran en sus leyes:

• La ley cero define la temperatura.
• La primera ley (calor, trabajo mecánico y energía interna) es el principio de conservación de la energía.
• La segunda ley define la entropía y establece normas para convertir la energía térmica en trabajo mecánico.
• La tercera ley indica las limitaciones para obtener el cero absoluto de temperatura.

Primera Ley

Es la ley de conservación de la energía. Establece que la energía total transferida a un sistema es igual al cambio de su energía interna.

Segunda Ley

La cantidad de entropía de cualquier sistema aislado termodinámicamente tiende a aumentar con el tiempo, alcanzando un valor máximo. Cuando parte de un sistema cerrado interactúa con otra parte, la energía tiende a dividirse uniformemente hasta que el sistema alcanza un equilibrio térmico.

Tercera Ley

Toda sustancia pura con entropía finita y positiva, alcanza una entropía de cero en el cero absoluto de temperatura, donde la sustancia asume la estructura de un cristal perfecto.

Principio de Le Chatelier

Cuando un sistema está en equilibrio, cualquier cambio en los factores que determinan el equilibrio provoca un cambio del estado de equilibrio para reducir el efecto de la modificación.

Proceso Adiabático

En un proceso adiabático no existe intercambio de calor con el medio ambiente, aunque hay una variación de energía interna. La energía térmica se transforma directamente en trabajo (W = -ΔU). Con la pérdida de energía, hay una disminución en la temperatura y la expansión del volumen.