Fundamentos de termodinámica y termoquímica: conceptos clave sobre energía, entalpía y entropía

Termodinámica y termoquímica

Termodinámica: es la ciencia que trata de los cambios de energía que se producen en los procesos físicos y químicos. Termoquímica: es la parte de la química que estudia los cambios de calor que suceden en las reacciones químicas.

Sistema y entorno

Sistema: es la parte del universo que separamos para poderla estudiar.

• Abierto: puede intercambiar materia y energía con su entorno.
• Cerrado: puede intercambiar energía pero no materia.
• Aislado: no intercambia ni energía ni materia.

Variables de un sistema

Las variables de un sistema son las magnitudes utilizadas para describirlo sin ambigüedad.

• Extensivas: su valor depende de la cantidad de materia que contiene el sistema. Ej.: masa o volumen.
• Intensivas: su valor no depende de la cantidad de materia del sistema. Ej.: temperatura, densidad o presión.

Función de estado

Función de estado: son las variables cuyo valor depende del estado actual del sistema y no del procedimiento por el que el sistema llegó a dicho estado. La presión, el volumen y la temperatura son funciones de estado porque las variaciones que experimentan solo dependen del estado inicial y final del sistema. El calor y el trabajo no lo son porque dependen del camino por el que el sistema pasó de un estado inicial a otro final.

Procesos reversibles e irreversibles

Proceso reversible: se produce a través de etapas tan cortas que, en cualquier momento, las propiedades del sistema no varían apreciablemente respecto de la etapa anterior ni de la siguiente. El sistema se encuentra en constante equilibrio con el entorno y el proceso puede invertirse mediante un cambio infinitesimal.

Proceso irreversible: cambia de manera tan rápida que no tiene oportunidad de restablecer el equilibrio con su entorno. Un pequeño cambio en las variables que definen el sistema no consigue invertir el proceso.

Entalpía estándar y Ley de Hess

Entalpía estándar de una reacción: es la variación de entalpía de una reacción en la que los reactivos en estado estándar se transforman en productos en estado estándar.

Ley de Hess: si una reacción puede producirse en varias etapas, reales o teóricas, su variación de entalpía es igual a la suma de las entalpías de reacción de estas reacciones intermedias.

Entropía

Entropía, S, es una función de estado que mide el grado de desorden molecular de los sistemas. Aumenta cuando el sistema se desordena y disminuye cuando aumenta el orden molecular.

Diagramas entálpicos y teoría del complejo activado

Diagramas entálpicos representan las energías puestas en juego en una reacción química utilizando la teoría del complejo activado. Según esta teoría, cuando los reactivos se aproximan se produce un estado intermedio de alta energía y corta duración que es el complejo activado.

En dichos diagramas podemos representar la energía de activación, que es la energía que necesitan absorber las moléculas de los reactivos para que se forme el complejo activado. Una reacción lenta tendrá una alta energía de activación, mientras que una reacción rápida tendrá una baja energía de activación.