Conceptos Fundamentales de Termodinámica: Calor, Entalpía y Energía

Introducción a los Procesos Termodinámicos

La termodinámica es una rama de la física que estudia las relaciones entre el calor y otras formas de energía. Comprender sus principios es fundamental para diversas disciplinas científicas y de ingeniería.

Tipos de Procesos Energéticos

Proceso Exotérmico

Es un cambio en el que el sistema emite energía térmica (Q) a los alrededores. Ciertas reacciones químicas desprenden calor, que se transfiere al medio ambiente. Según el convenio de signos, el calor de estas reacciones se considera negativo.

Proceso Endotérmico

Es un cambio en el que el sistema absorbe energía térmica de los alrededores. Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse. Según el convenio de signos, el calor de estas reacciones se considera positivo.

Propiedades de Estado

Son todas las propiedades de un sistema que no dependen de la trayectoria o del camino seguido para alcanzar un estado determinado, sino únicamente del estado inicial y final. Ejemplos incluyen la temperatura (T), el volumen (V), la presión (P) y la energía interna (U).

Las propiedades de estado pueden clasificarse en:

• Extensivas: Dependen de la cantidad de materia presente (ej. masa, volumen, energía interna).
• Intensivas: No dependen de la cantidad de materia presente (ej. temperatura, presión, densidad).

Entalpía (H)

Para medir el calor absorbido o liberado por un sistema durante un proceso que ocurre a presión constante, se utiliza una propiedad termodinámica fundamental conocida como entalpía (H). Dado que la mayoría de los cambios químicos y físicos se llevan a cabo a presión constante (como en un laboratorio con sistemas abiertos a 1 atm), la entalpía es un concepto crucial.

Su magnitud depende de la cantidad de materia presente, lo que la convierte en una propiedad extensiva. La magnitud absoluta de la entalpía no puede determinarse directamente, pero sí es posible medir la magnitud de su cambio (ΔH). Este cambio se conoce como entalpía de reacción.

Calorimetría

El calor es la energía transferida entre dos cuerpos o sistemas que se encuentran a diferentes temperaturas.

Un calorímetro es un recipiente cerrado y aislado térmicamente, diseñado para medir los cambios de calor en reacciones químicas o procesos físicos.

La calorimetría es la técnica experimental utilizada para medir los cambios de calor asociados a procesos físicos o químicos. Estas mediciones dependen del calor específico y la capacidad calorífica de las sustancias involucradas.

Conceptos Clave en Calorimetría

Calor Específico (s)

El calor específico (s) es la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Celsius (o un Kelvin) la temperatura de un gramo de una sustancia. Es una propiedad intensiva, ya que no depende de la masa de la sustancia.

Capacidad Calorífica (C)

La capacidad calorífica (C) es la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Celsius (o un Kelvin) la temperatura de una determinada cantidad de sustancia. Es una propiedad extensiva, ya que depende de la masa de la sustancia.

Cálculo del Calor Transferido

La relación entre la capacidad calorífica (C) y el calor específico (s) de una sustancia se expresa mediante la siguiente fórmula:

C = m * s (donde 'm' es la masa de la sustancia).

Si se conoce el calor específico (s), la masa (m) de una sustancia y el cambio de temperatura (ΔT) de una muestra, es posible calcular la cantidad de calor (Q) absorbido o liberado en un proceso particular:

Q = m * s * ΔT

Alternativamente, si se conoce la capacidad calorífica (C) y el cambio de temperatura (ΔT):

Q = C * ΔT

Primera Ley de la Termodinámica

La Primera Ley de la Termodinámica, también conocida como el Principio de Conservación de la Energía, establece que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma de una forma a otra.

Componentes de la Energía Interna

Energía Interna (U)

La energía interna (U) de un sistema es la suma de las energías cinéticas y potenciales de todas las partículas que lo componen.

La energía interna de un sistema puede cambiar su magnitud si hay transferencia de calor (Q) o si se realiza un trabajo (W) sobre o por el sistema.

Trabajo Termodinámico (W)

Cada vez que se ejerce una fuerza sobre un objeto y este se desplaza, se está realizando un trabajo (W) que modifica la energía del objeto. El trabajo en sí no es una forma de energía, sino un mecanismo por el cual la energía se transfiere o se modifica entre un sistema y su entorno.

En termodinámica, el trabajo de expansión o compresión de un gas a presión constante se calcula como:

W = -PΔV

Esto ocurre, por ejemplo, cuando un cilindro provisto de un émbolo móvil contiene un gas y su volumen se modifica por la aplicación de una fuerza a presión constante.

• Si el sistema se expande (ΔV > 0), el trabajo realizado por el sistema es negativo (W < 0).
• Si el sistema se comprime (ΔV < 0), el trabajo realizado sobre el sistema es positivo (W > 0).

La relación entre el calor, el trabajo y la energía interna se resume en la Primera Ley de la Termodinámica:

• Si el sistema absorbe calor (Q > 0) o recibe trabajo del entorno (W > 0), su energía interna aumenta.
• Si el sistema realiza trabajo (W < 0) o cede calor al entorno (Q < 0), su energía interna disminuye.