Termodinámica Química: Procesos Adiabáticos, Segundo Principio, Potencial Químico, Cinética y Electroquímica

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Proceso adiabático y primer principio

Proceso adiabático: Q = 0.

Coeficientes termodinámicos

  • Coeficiente de dilatación: 1/V (∂V/∂T)
  • Coeficiente piezotérmico: 1/P (∂P/∂T)
  • Coeficiente de compresibilidad: -1/V (∂V/∂P)

Ecuación del virial

PVm/RT = 1 + B/Vm + C/Vm²

Ecuación de Van't Hoff

π = [M]RT

π/([M]RT) = 1 + B[M] + ...

Calor y trabajo

  • Calor: dQ = n·c·dT
  • Trabajo mecánico: dW = -P·dV
  • Trabajo eléctrico: dW = -ε·dq
  • Trabajo químico: dW = -μ·dn
  • Trabajo superficial: dW = -ρ·dA

Primer principio

dU = dQ + dW

Ciclo cerrado: dU = 0.

Entalpía

dH = dU + V·dP + P·dV = dQ + V·dP + dWotros

dU = Qv ; dH = Qp

Energía interna de un gas ideal: U = ½ Rf n T, con ½ Rf = Cv.

Segundo y tercer principio

Segundo principio

dS = dQ/T (reversible); dS > dQ/T (no reversible).

dSuniv = dSsis + dSalr ≥ 0 (espontáneo).

Rendimiento: Rend = Wneto/Qabs

Carnot: η = 1 - Tf/Tc

Relaciones reversibles

  • dU = T·dS - P·dV + dWotr
  • dH = T·dS + V·dP + dWotr
  • Energía libre de Helmholtz: dF = -S·dT - P·dV + dWotr
  • Energía libre de Gibbs: dG = -S·dT + V·dP + dWotr

Equilibrio: dF = dG = 0.

Tercer principio

Si T → 0, S(T) = 0.

S(T) = ∫ nCp/T dT

Entropía de Boltzmann: S = kB ln Ω, con Ω = N!/(n0! n1!).

Sistema en equilibrio: ½ kBT = ½ m v²

n/n0 = e-(E-E0)/kBT, o e-(E-E0)/RT por mol.

Potencial químico y mezclas

Potencial químico: μi = (∂G/∂ni)

dG = -S·dT + V·dP + Σ nidμi + dWotr

Mezcla: dG = Σ μidni + Σ nidμi

Ecuación de Gibbs-Duhem: Σ nidμi = -S·dT + V·dP (laboratorio: = 0).

Gas ideal a T constante: dμ = (V/n) dP = (RT/P) dP.

Mezcla de gases ideales: μi = μref + RT ln(Pi/Pref).

μi = μref + RT ln(ai), con ai = XiΦi y ai = ΦS/Sref.

Regla de las fases

L = C - F + 2 (+1 si P constante).

Equilibrio y ecuaciones de Clapeyron

Equilibrio: μ1 = μ2.

Clapeyron: dP/dT = ΔH/(TΔV)

Clausius-Clapeyron (líquido-gas, ΔV ≈ Vgas): ln(P/P0) = (ΔHvap/R)(1/T0 - 1/T).

Mezclas homogéneas

Mezcla miscible (ΔG < 0): Gm = Gmezcla - Gseparada = Σ μini - Σ μi0ni = niRT ln(ai).

Ley de Raoult (disolvente): Pi = XiP0i.

Pi = ΦiXiP0i; Φi = Pi/(XiP0i) = Pi/Pideal.

Ley de Henry (soluto, baja concentración): Pi = KhXi o Ci = KhPi.

Equilibrio químico

Si ΔG < 0: Q < K, se forman productos.

Factores: composición, temperatura.

ln(K2/K1) = (ΔHr/R)(1/T1 - 1/T2); para ΔH > 0 y T2 > T1, se favorecen los productos (K2 > K1).

Transporte

dW = (∂μ/∂x) dx (término de gradiente). dW = -F·dx.

Coeficiente de difusión: D = -(dμ/dx)·(fuerza impulsora).

Flujo: J = (1/A)(dm/dt) = c·v.

Ley de Fick: J = -D(dc/dx).

Fuerza gravitatoria: F = mg.

Ley de Ohm: J = -ρ(dv/dx) = ρE.

Velocidad: v = μE.

Estado estacionario: Fdif = Felec; μ = zeD/kBT.

Fvis = f·v.

Estado estacionario: Fdif = Fvis; D = kBT/f = kBT/(6πηR).

Movimiento browniano: D = λ²/(6t).

Cinética química

Tiempo de vida media (orden 1): t1/2 = (ln 2)/k.

Tiempo de vida media (orden 2): t1/2 = 1/(k[A]0).

Ecuación de Michaelis-Menten

v = VmaxS/(Km + S), con Vmax = k2[E]t y Km = (k-1 + k2)/k1.

  • Inhibición competitiva: aumenta Km.
  • Inhibición no competitiva: disminuye Vmax.
  • Acompetitiva: disminuyen Km y Vmax.

Aproximación del estado estacionario

Aproximación del estado estacionario: d[intermedio]/dt = 0.

Etapa limitante: si ka << kb, dC/dt = kaA.

Equilibrio de formación = destrucción.

Ecuación de Arrhenius: k = A·e-Ea/RT.

Electrolitos y fuerza iónica

u = q₁q₂/(4πεr), con ε = εrε0.

Electroneutralidad: carga total = 0; z+c+ = z-c-.

Poisson-Boltzmann: u = q₁q₂/(4πεr) · e-κDr.

κD = √(8πe²I(10³·Na)/(εr ε0kBT)); λD = 1/κD.

Fuerza iónica: I = ½ Σ cizi².

Debye-Hückel: ln Φ± = -A|z+z-|I1/2.

Potencial electroquímico: μel = μref + RT ln(ai) + zFV.

En equilibrio: ΔVeq = -(RT/zF) ln(a2/a1).

Nernst: ΔV = ΔVref - (RT/nF) ln(ared/aox).

En no equilibrio: hay flujo, u = zeD/kBT = v/F.

ΔV = -(kBT/e) · ((u+ - u-)/(u+ + u-)) ln(C2/C1), con kBT/e = RT/(zF).

Si u+ = u-, ΔV = 0.

Potencial de interacción entre coloides

V = Vatr + Vrep.

Vrep = Zeff²e²/(4πεr) · e-κDs, con s = r - 2a (radio).

En el punto isoeléctrico Zeff = 0, por lo que V = Vatrac = -Aa/(12s).

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