La termoquímica estudia los cambios de energía térmica que acompañan a las reacciones químicas. Se llama calor de reacción a la cantidad de calor liberada o absorbida en una reacción a la misma temperatura de los reaccionantes. En una reacción química puede haber una absorción de energía (reacción endotérmica) o una liberación de energía (reacción exotérmica).
Funciones de Estado en Termodinámica
Las propiedades que definen un estado termodinámico se denominan funciones de estado. Estas funciones son tales que toman un valor determinado en los distintos estados que puede tomar el sistema. En estos tipos de funciones no interesa el camino ni el tiempo para llegar desde el estado 1 al estado 2. Todo sistema macroscópico está constituido por moléculas.
Tipos de Cambios en Sistemas Termodinámicos
- Cambio adiabático: Es el cambio de estado que se realiza sin que exista intercambio de calor entre el sistema y el ambiente (por ej. en un termo).
- Cambio a presión constante: Es el cambio más común debido a que gran parte de los procesos se realizan en contacto con nuestra atmósfera, la que prácticamente mantiene una presión constante de 1 atm.
Dado que la mayor parte de los procesos químicos se realiza a presión constante, las variaciones energéticas se expresan como cambios de entalpía ( H). Esta última relación muestra que el calor transferido a presión constante (Qp) es igual a la diferencia entre los dos estados.
Estado Estándar y Calor de Formación
Con el objeto de comparar los cambios de entalpía de diversas sustancias en idénticas condiciones, se establece un estado de referencia conocido como estado estándar la que corresponde a un compuesto o elemento en su estado físico más estable sometida a la presión de 1 atmósfera y 25ºC (298.15 K). Se define como calor de formación a la energía involucrada en la formación de un mol de compuesto a partir de sus elementos en su estado estándar. Los calores estándar de formación de todos los compuestos están tabulados. La cantidad de calor necesaria para descomponer un compuesto en sus elementos, es igual al calor desarrollado cuando el mismo compuesto se forma a partir de sus elementos. El cambio de entalpía de una reacción, es el mismo tanto si se realiza en una etapa o en varias etapas.
La Segunda Ley de la Termodinámica y la Entropía
La Segunda Ley de la Termodinámica es comúnmente conocida como la Ley de la Entropía en Aumento. Mientras que la cantidad permanece igual (Primera Ley), la calidad de la materia/energía se deteriora gradualmente con el tiempo. ¿Por qué? La energía utilizable es inevitablemente usada para la productividad, crecimiento y reparaciones. En el proceso, la energía utilizable es convertida a energía inutilizable. Las implicaciones de la Segunda Ley de la Termodinámica son considerables. El universo está perdiendo constantemente energía utilizable y nunca ganándola. Concluimos lógicamente que el universo no es eterno. El universo tuvo un comienzo finito… el momento en que tuvo una "entropía cero" (su estado más ordenado posible).
En el análisis de muchas reacciones químicas es necesario fijar un estado de referencia para la entropía. Este siempre puede escogerse algún nivel arbitrario de referencia cuando solo se involucra un componente; para las tablas de vapor convencionales se ha escogido 320F. Un cristal “perfecto” es aquel que está en equilibrio termodinámica. La importancia de la tercera ley es evidente. En donde k es la constante de Bolzmall es la probabilidad termodinámica.
Espontaneidad y Reversibilidad
Los cambios dependen fuertemente de la temperatura en que se encuentra el sistema. La congelación del agua es espontánea a temperaturas inferiores a 0 ºC y, por cierto, es no-espontánea a una temperatura mayor que 0 ºC. Si los cambios anteriores ocurren sobre y bajo 0 ºC, ¿qué sucede específicamente cuando la presión es de 1 atm y la temperatura está fija en 0 ºC? En otras palabras, no hay preferencia o espontaneidad en ninguna dirección en particular. Los dos cambios anteriores se producen en la medida que la temperatura externa se modifique.
Entropía y Desorden
Entropía y desorden: (S): Esta mide el grado de desorden de un sistema a nivel atómico. Esta magnitud solo depende de factores como el número de partículas o el estado físico de las sustancias, por lo que es una función de estado extensiva.
Entropía en Procesos Irreversibles y Reversibles
Considera dos cuerpos aislados a las temperaturas TA y TB, donde TA > TB. Luego, se acercan, entran en contacto por unos pocos segundos y posteriormente se separan. Ambos cuerpos configuran un universo, en que uno es el sistema y el otro el entorno. Durante el contacto se produjo un flujo de calor (q) de A a B, que no altera significativamente la temperatura de los dos cuerpos ni el volumen de ellos, de modo que no hay un trabajo efectivo. Desde el punto de vista de la primera ley, el cuerpo A, más caliente, cedió energía al cuerpo B, más frío. ”UA = q (A cedió energía) y ”UB = + q (B ganó energía). Para el cuerpo A, el cambio de entropía es: ”SA = q /TA. Cada vez que el calor fluye de un cuerpo caliente a uno más frío, la energía total no cambia, pero la entropía total aumenta.
Cuando el agua, bajo la presión de 1 atm, está justo en 0 ºC el agua y el hielo se interconvierten reversiblemente. El agua y el hielo se encuentran en equilibrio agua hielo. ”S reacción = (suma de las entropías de los productos) (suma de las entropías de los reactantes).
Energía Libre de Gibbs
Es una función de estado extensiva que determina si una reacción química es espontánea o no. A esta contribuye tanto la entalpía como la entropía. Para que el proceso se realice, ”G d" 0. Si ”G > 0 , el proceso no es espontáneo, se debe entregar energía del exterior para que se realice.
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