Entalpía y Entropía en Termodinámica: Conceptos Clave y Aplicación Práctica en Equilibrio Químico

Entalpía: Conceptos Fundamentales y Aplicación Termodinámica

La entalpía es la cantidad de energía que un sistema termodinámico puede intercambiar con su entorno. Por ejemplo, en una reacción química a presión constante, el cambio de entalpía del sistema es el calor absorbido o desprendido en la reacción. En un cambio de fase, por ejemplo, de líquido a gas, el cambio de entalpía del sistema es el calor latente, en este caso, el de vaporización. En un simple cambio de temperatura, el cambio de entalpía por cada grado de variación corresponde a la capacidad calorífica del sistema a presión constante. Matemáticamente, la entalpía H es igual a U + pV, donde U es la energía interna, p es la presión y V es el volumen. H se mide en julios. Es una función de estado de la termodinámica donde su variación permite expresar la cantidad de calor puesto en juego durante una transformación isobárica (transformación en el curso de la cual se puede recibir o aportar energía).

Entropía: Medida del Desorden y la Irreversibilidad

La entropía termodinámica es una magnitud que mide la parte de la energía que no puede utilizarse para producir un trabajo. Es el grado de desorden que poseen las moléculas que integran un cuerpo, o también el grado de irreversibilidad alcanzada después de un proceso que implique transformación de energía.

La entropía es una medida del orden de un sistema o de la falta de grados de restricción. La manera de utilizarla es medirla en nuestro sistema inicial, es decir, antes de remover alguna restricción, y volverla a medir al final del proceso que sufrió el sistema.

Ejercicio Práctico: Reacción de Metanol y Equilibrio Químico

Planteamiento del Problema

Dada la reacción: 2 CH₃OH (l) + 3 O₂ (g) = 2 CO₂ (g) + 4 H₂O (l); ΔH = -1552,8 kJ

1. Espontaneidad del Proceso

   Indica si el proceso es espontáneo en condiciones estándar (1 atm y 25 °C).

2. Efecto en el Equilibrio

   Suponga el sistema en equilibrio. Justifique cómo afectaría al equilibrio un aumento de presión y un aumento de temperatura.

Datos

Entropías estándar a 298 K:

• S⁰ (CH₃OH (l)): 126,8 J/K·mol
• S⁰ (CO₂ (g)): 213,7 J/K·mol
• S⁰ (O₂ (g)): 205,0 J/K·mol
• S⁰ (H₂O (l)): 70,0 J/K·mol

Solución

1. Cálculo de Espontaneidad

   ΔG = ΔH - TΔS; donde ΔS = ΣnᵢS⁰(productos) - ΣnᵢS⁰(reactivos)

   ΔG = -1504,8 kJ, luego el proceso es espontáneo en estas condiciones.

2. Análisis del Equilibrio (Principio de Le Châtelier)

   Según el principio de Le Châtelier:

   • Aumento de presión: Un aumento de presión desplaza el equilibrio hacia la derecha, pues con ello se disminuye el volumen y se contrarresta el aumento de presión (hay 3 moles de gases a la izquierda y 2 a la derecha).
   • Aumento de temperatura: Un aumento de temperatura desplaza el equilibrio hacia la izquierda, sentido en el que la reacción es endotérmica. Al absorber calor se contrarresta el aumento de temperatura.