Termodinámica Química: Fundamentos y Conceptos Clave

Si la energía liberada es mayor que la aportada inicialmente, será un proceso exotérmico. Si es menor, será un proceso endotérmico. La especialidad que estudia las relaciones existentes entre la energía y los cambios químicos es la termodinámica química. La parte de la termodinámica que estudia el intercambio de calor que acompaña a una reacción química se denomina termoquímica.

Sistemas Termodinámicos

Se denomina sistema material a aquella parte del universo; en un proceso químico, sería la sustancia o sustancias que en ese momento reaccionan y que nosotros observamos, tanto en su evolución material como energética. La zona del universo más cercana al sistema y que es capaz de interaccionar con él se denomina entorno.

Los sistemas materiales se clasifican en:

• Sistemas abiertos: cuando se intercambian materia y energía con el entorno.
• Sistemas cerrados: se puede intercambiar energía con el exterior, pero no materia.
• Sistemas aislados: no se puede intercambiar materia ni energía con el exterior.

Variables Termodinámicas

Las variables termodinámicas informan sobre la situación del sistema en un momento dado, y su valor numérico se va modificando a medida que el sistema evoluciona. Se clasifican en:

• Extensivas: Su valor depende de la cantidad total de materia que tiene el sistema.
• Intensivas: Su valor es independiente de la cantidad de materia del sistema.

Un buen método para diferenciarlas es el siguiente: aquellas variables cuyo valor cambie con respecto al sistema original serán extensivas (masa, volumen, energía interna, etc.); si su valor no cambia, serán intensivas (densidad, presión, pH, temperatura, etc.).

Algunas variables termodinámicas se denominan funciones de estado porque su valor depende exclusivamente del estado del sistema en cada momento, independientemente de los procesos intermedios que haya podido realizar el sistema hasta alcanzar su situación actual.

Procesos Termodinámicos

Los principales procesos termodinámicos son:

• Isobárico: si la presión permanece constante.
• Isotérmico: si la temperatura permanece constante.
• Isocórico: si el volumen permanece constante.
• Adiabático: si no hay intercambio de calor con el entorno.

En un proceso químico, la variación de energía interna de un sistema es igual al calor desprendido o absorbido por el sistema más el trabajo realizado por o sobre el sistema.

Entalpía y Energía de Enlace

Se define la entalpía estándar de formación de un compuesto como el cambio de calor que resulta de la formación de un mol de ese compuesto a partir de sus elementos en sus estados de agregación más estables a 25ºC y 1 atm de presión.

La entalpía equivale al calor que desprende o absorbe el sistema cuando se produce dicha reacción a presión constante; es decir, la diferencia entre el contenido de los productos y de los reactivos.

La energía de enlace es el flujo de calor, en valor absoluto, que acompaña a la formación o ruptura de un mol de enlaces a partir de los átomos aislados en estado gaseoso y presión constante.

Entropía y los Principios de la Termodinámica

La entropía nos informa sobre el grado de desorden de un sistema. Aumenta si:

• En la reacción no intervienen sustancias no gaseosas, pero existe un aumento considerable en el número de moles de los productos respecto al de los reactivos.
• Se dan procesos de disolución de sólidos en líquidos.
• Se forma mayor número de moles de sustancias gaseosas.
• Las sustancias pasan de sólido a líquido o de líquido a gas.

El segundo principio de la termodinámica afirma que en los procesos espontáneos, la entropía del universo aumenta.

El tercer principio de la termodinámica afirma que cuando una sustancia se encuentra a una temperatura Kelvin en forma de cristal perfecto, su entropía es nula.

Energía Libre de Gibbs

La energía libre de Gibbs es la magnitud termodinámica que se utiliza para predecir si una reacción se va a producir de forma espontánea o no.