Fundamentos de Termoquímica: Conceptos Clave y Principios Esenciales

Introducción a la Termoquímica

La Termoquímica es la parte de la física que estudia las relaciones entre el calor, el trabajo y la energía.

Sistemas Termodinámicos

Un Sistema Termoquímico es una parte del universo seleccionada para su estudio. Lo demás se llama entorno.

Por su relación con el entorno, los sistemas se clasifican en:

• Abiertos: Intercambian materia y energía con el entorno.
• Cerrados: Intercambian energía, pero no materia, con el entorno.
• Aislados: No intercambian ni materia ni energía con el entorno.

Por el estado físico de sus componentes, los sistemas pueden ser:

• Homogéneos: Todas las sustancias del sistema tienen el mismo estado físico.
• Heterogéneos: Las sustancias del sistema tienen diferentes estados físicos.

Magnitudes Termodinámicas

Las magnitudes termodinámicas se dividen en:

• Extensivas: Aquellas cuyo valor depende de la cantidad de sistema considerado (ej. volumen, entalpía, entropía, energía interna, masa).
• Intensivas: Aquellas cuyo valor no depende de la cantidad de sistema considerado (ej. presión, temperatura, densidad, concentración).

Funciones de Estado

Las Funciones de Estado son variables termodinámicas cuyo valor solo depende del estado del sistema. En una transformación, su variación solo depende de los estados inicial y final, no del camino seguido.

Transformaciones Termodinámicas

Las transformaciones de los sistemas se clasifican en:

• Isobáricas: Si se realizan a presión constante (P cte.).
• Isotérmicas: Temperatura constante (T cte.).
• Isocóricas: Volumen constante (V cte.).
• Adiabáticas: Calor constante (Q cte.).

Conceptos Fundamentales de Energía

Energía Interna del Sistema (U)

La Energía Interna de un sistema depende del número de partículas, de su movilidad y de la naturaleza de la sustancia.

Temperatura (T)

La Temperatura es una magnitud intensiva y función de estado que mide la agitación de las partículas del sistema. Su unidad en el Sistema Internacional (SI) es el Kelvin (K).

Intercambio de Energía entre el Sistema y el Entorno

Calor (Q)

El Calor es la parte de la energía interna de un cuerpo que pasa espontáneamente a otro cuerpo que está a menor temperatura hasta que se igualan sus temperaturas. Es una magnitud extensiva y no es una función de estado.

Calor Específico

El Calor Específico es la energía que debe suministrarse a 1 kg de sustancia para elevar su temperatura en 1 K.

Trabajo (W)

El Trabajo es una forma de transferir energía de un cuerpo a otro mediante el desplazamiento de una fuerza.

Principios de la Termodinámica

Primer Principio de la Termodinámica

El Primer Principio de la Termodinámica establece que el calor (Q) y el trabajo (W) intercambiados por el sistema con el exterior son iguales a la variación de la energía interna (ΔU) del sistema. Se expresa como: ΔU = Q - PΔV.

Entalpía (H)

La Entalpía se define como H = U + PV.

Reacciones Endotérmicas y Exotérmicas

• Reacción Endotérmica: Absorbe energía del entorno, por lo tanto, los productos (P) tienen mayor energía que los reactivos (R).
• Reacción Exotérmica: Desprende energía al entorno, por lo tanto, los productos (P) tienen menor energía que los reactivos (R).

Ecuación Termoquímica

Una Ecuación Termoquímica es una ecuación química ajustada en la que se indica el estado físico de reactivos y productos, las condiciones de presión y temperatura en las que se realiza la reacción y la variación de energía que se produce.

Tipos de Entalpías Estándar

• Entalpía Estándar de Formación (ΔH°f): Variación de entalpía de la reacción que se produce cuando se forma un mol del compuesto a partir de los elementos que lo constituyen en sus estados más estables a 1 atmósfera (atm) y 25 ºC.
• Entalpía de Combustión: Energía desprendida cuando se quema un mol del compuesto a 1 atm y 298 K.
• Entalpía de Enlace: Energía que debe suministrarse para romper los enlaces de un mol de moléculas en estado gaseoso a 1 atm y 298 K.

Ley de Hess

La Ley de Hess establece que la entalpía es una función de estado, por lo tanto, su variación en una reacción química solo depende del estado inicial y final.

Espontaneidad de los Procesos

Clases de Procesos Termodinámicos

• Espontáneos: Ocurren por sí solos, sin intervención externa. Son procesos no estáticos (no existe equilibrio entre el sistema y el entorno).
• No Espontáneos: No ocurren por sí mismos, pero pueden suceder mediante intervención exterior.

Entropía (S)

La Entropía es una magnitud termodinámica extensiva y función de estado, asociada a la transferencia de energía de unos sistemas a otros.

Segundo Principio de la Termodinámica

El Segundo Principio de la Termodinámica limita los procesos que pueden ocurrir, utilizando el calor y la entropía. Establece que: “En todo proceso espontáneo o no estático, la entropía o desorden del universo aumenta”.

Tercer Principio de la Termodinámica

El Tercer Principio de la Termodinámica establece que la entropía disminuye al disminuir la temperatura, por lo tanto, en el cero absoluto la entropía de un sistema será 0. Establece que: “La entropía de toda sustancia cristalina pura y perfecta es 0 en el cero absoluto de temperatura”.

Espontaneidad de las Reacciones Químicas

Según el Segundo Principio de la Termodinámica, para que una reacción sea espontánea, debe cumplirse que la variación de entropía del universo (ΔS_universo) sea mayor que 0. Para evitar analizar la variación de entropía del universo, se define una nueva magnitud termodinámica, la Energía Libre de Gibbs (G), que es una magnitud energética, función de estado y extensiva. Para que una reacción química sea espontánea, la variación de la Energía Libre de Gibbs (ΔG) de la reacción debe ser negativa.