Termoquímica y Termodinámica: Conceptos Clave y Principios Fundamentales

La termodinámica química es la especialidad que estudia las relaciones entre la energía y los cambios químicos. Dentro de esta, la termoquímica se enfoca específicamente en el intercambio de calor que acompaña a una reacción química. Un concepto central es que si la energía liberada en una reacción es mayor que la energía aportada inicialmente, el proceso es exotérmico. Si la energía liberada es menor, el proceso es endotérmico.

Sistemas Termodinámicos

Un sistema material es la parte del universo que se está estudiando. Estos sistemas se clasifican según las variables consideradas:

• Sistemas abiertos: Intercambian materia y energía con el entorno (ejemplo: combustión de gas butano al aire libre).
• Sistemas cerrados: Pueden intercambiar energía con el exterior, pero no materia (ejemplo: neutralización en el laboratorio de ácido nítrico con hidróxido de sodio).
• Sistemas aislados: No intercambian materia ni energía con el exterior (ejemplo: agua contenida en un calorímetro).

El entorno es la zona del universo más cercana al sistema, capaz de interactuar con él.

Variables Termodinámicas

Las variables termodinámicas describen el estado de un sistema. Incluyen masa, presión, temperatura, volumen y densidad. Se clasifican en:

• Extensivas: Dependen de la cantidad de materia (masa, volumen).
• Intensivas: No dependen de la cantidad de materia y se pueden determinar en cualquier punto (temperatura, presión, densidad, pH).

Las variables de estado describen el estado del sistema material en cada momento.

Termodinámica: Intercambios de Energía

La termodinámica estudia los intercambios de energía (calor o trabajo) entre el sistema y su entorno. En el contexto de una reacción química, el sistema es precisamente la reacción química.

Las funciones de estado son variables que solo dependen del estado inicial y final del sistema, no del camino recorrido para llegar a él.

Trabajo en Termodinámica

En termodinámica, el trabajo y el calor son formas de transferencia de energía. El trabajo se considera:

• Positivo: Si el volumen disminuye (trabajo de compresión).
• Negativo: Si el volumen aumenta (trabajo de expansión).

Equivalente mecánico del calor: 1 caloría = 4.1868 J

Procesos Termodinámicos

Los procesos termodinámicos se clasifican según la variable que permanece constante:

• Isobárico: Presión constante.
• Isotérmico: Temperatura constante.
• Isocórico: Volumen constante.
• Adiabático: No hay intercambio de calor con el entorno.

Primer Principio de la Termodinámica

El primer principio de la termodinámica establece que, en un proceso químico, la variación de la energía interna de un sistema (ΔU) es igual al calor (Q) desprendido o absorbido por el sistema más el trabajo (W) realizado por o sobre el sistema:

ΔU = Q + W