Entalpía, Entropía y Energía Libre: Definición y relación

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Entalpía versus entropía

La entalpía y la entropía son dos cantidades termodinámicas que se utilizan para describir la relación entre energía y materia. La entalpía es la energía de un sistema y la entropía es el desorden (o aleatoriedad) de un sistema.

Más específicamente, la entalpía, H, se relaciona con la capacidad de un sistema para realizar trabajo no mecánico y liberar calor. La entalpía se utiliza para medir la cantidad de energía necesaria para formar o romper enlaces, cambiar estados de la materia y transferir calor entre un sistema y su entorno. Si bien es muy cierto que la entropía es la medida del desorden de un sistema, eso es una simplificación. La entropía, S, es la cantidad de energía de un sistema que no se puede utilizar para realizar trabajo. Tanto la entalpía como la entropía son funciones de estado, es decir, el camino no es importante. La medición directa de la entalpía y la entropía es difícil, por lo que a menudo se miden el cambio de entalpía y la entropía. Dado que la naturaleza favorece niveles de energía más bajos, las reacciones químicas se ven favorecidas cuando la entalpía disminuye. Por el contrario, el universo siempre favorece el desorden y las reacciones se favorecen cuando aumenta la entropía.

Delta H y Delta S

El cambio de entalpía, denominado Delta H, es el cambio de energía de un sistema. A presión constante, esto es simplemente el calor que se intercambia entre un sistema y su entorno. El cambio de entropía, denominado Delta S, representa el cambio en la aleatoriedad o desorden de un sistema. A temperatura constante, los cambios en Delta S representan transiciones de fase. Por ejemplo, el agua líquida se convertirá espontáneamente en agua sólida a temperaturas inferiores al punto de congelación del agua.

¿Qué es la ecuación Delta S?

El cambio de entropía (delta S), a temperatura constante, se define como: {eq}\Delta S = \frac{\Delta Q}{T} {/eq}.

donde Q es el calor intercambiado entre un sistema y su entorno y T es la temperatura en Kelvin.

¿Cuándo es positivo Delta S?

Según la segunda ley de la termodinámica, la entropía (S) no puede disminuir. Por tanto, el universo tiende al desorden. Esto se observa todos los días porque los objetos no ruedan espontáneamente cuesta arriba y los vidrios rotos no se vuelven a formar espontáneamente.

Considere una colección de moléculas de gas. Cada molécula de la colección tiene energía cinética. Colectivamente, la entropía del conjunto tiene más aleatoriedad que una colección similar de esas mismas moléculas en la fase sólida. Por tanto, la entropía de los gases es mayor que la de los sólidos. A medida que aumenta la energía (temperatura), aumenta la entropía (o aleatoriedad).

Cuando la aleatoriedad de un sistema aumenta, el Delta S será positivo y se favorece el proceso.

¿Qué es la ecuación Delta H?

La entalpía (H) es la suma total de la energía interna (E) más el producto de la presión (P) y el volumen (V). La siguiente es la ecuación de entalpía: {eq}H = E + PV {/eq}. El término PV representa la capacidad del sistema para realizar trabajo. En cambios de presión y volumen nominales, domina el término de energía. De hecho, la entalpía suele expresarse en términos de presión constante (sin trabajo). En términos básicos, la energía es la capacidad de realizar un trabajo y se compone de energía potencial y cinética. El cambio de entalpía (delta H) a presión constante es una función de estado que mide la transferencia de calor entre un sistema y su entorno, {eq}\Delta H = q_{p} {/eq}. Tras la sustitución y simplificación, delta H se puede expresar como: {eq}\Delta H = mc_{p}\Delta T {/eq} donde m es la masa, c sub p es el calor específico y delta T es el cambio en temperatura.

Delta H positivo

Delta H representa la transferencia de calor entre un sistema y su entorno. Por tanto, un delta H positivo representa el calor que fluye hacia el sistema. Para una reacción química, una reacción con un delta H positivo se llama endotérmica. Para el observador, la reacción parece enfriarse porque el calor fluye desde el entorno hacia la reacción. Un delta H negativo indica que el sistema está liberando calor al entorno. Esto se llama reacción química exotérmica. Dado que la naturaleza favorece los sistemas en el estado de energía más bajo, se favorecen las reacciones delta H negativas, ya que transfieren energía fuera del sistema.

Relación de entropía y entalpía

La entalpía y la entropía están relacionadas a través de la energía libre. En equilibrio, la relación entre entalpía y entropía se puede escribir como H = TS, donde T es la temperatura en Kelvin. La energía libre de Gibbs, G, se puede escribir como: {eq}G = H – TS {/eq}. El cambio en la energía libre de Gibbs puede predecir la dirección (o espontaneidad) de una reacción química. Esta expresión también muestra la relación entre la temperatura y la energía libre. Cuando el cambio de entalpía es negativo (el calor sale del sistema) y el cambio de entropía es positivo (aumento de la aleatoriedad), el término de energía libre es negativo. En este caso, la reacción es favorecida (o espontánea). Asimismo, si el cambio de entalpía es positivo y el cambio de entropía es negativo, el término de energía libre será positivo y la reacción no se verá favorecida (o no será espontánea). En cualquier otra combinación de entalpía y entropía, la temperatura influye en si la reacción es espontánea o no espontánea.

¿Qué significa Delta G?

La energía libre de Gibbs, G, combina entalpía y entropía en una sola expresión: {eq}G = H – TS {/eq}. Al igual que la entalpía y la entropía, la energía libre de Gibbs no se puede medir directamente; por lo tanto, se utiliza el cambio en la energía libre de Gibbs. La energía libre es la cantidad de energía que queda después de una reacción química. Si la energía es positiva, la reacción desprenderá calor. Esto se conoce como reacción exotérmica. Las reacciones exotérmicas parecen calientes porque la energía térmica fluye fuera de la reacción. Si la energía tiene energía libre negativa, el calor fluirá hacia la reacción. Esto se llama endotérmico. Las reacciones endotérmicas parecen enfriarse porque el calor fluye hacia la reacción.

Entalpía, entropía y energía libre

Los valores de entalpía, entropía y energía libre de Gibbs se pueden utilizar para predecir si una reacción es espontánea. Considere una reacción a 298 K que tiene un cambio de entalpía de -55 kJ y un cambio de entalpía de -35 J/K. La siguiente ecuación se utiliza para predecir si la reacción es espontánea. Delta G = Delta H – T Delta S

La sustitución da: Delta G = (-55 kJ) – 298K(-0,0035 kJ/K) = -54 kJ. Por tanto, esta reacción es espontánea.

Delta G, Delta H y Delta S

El cambio en la energía libre de Gibbs, delta G, se expresa como delta G = delta H – T delta S. Delta G puede predecir si las reacciones son espontáneas (a temperatura y presión constantes). Si delta G es negativo, la reacción es espontánea. Es decir, avanzará en la dirección de avance. Si delta G es positivo, la reacción no es espontánea o la reacción procederá en la dirección inversa. En equilibrio, delta G es cero.

Resumen de la lección

La entalpía y la entropía son dos cantidades termodinámicas importantes. El cambio de entalpía, a presión constante, es simplemente el calor intercambiado entre un sistema y su entorno. Un cambio negativo de entalpía representa una reacción que desprende calor (exotérmica), mientras que un cambio positivo de entalpía está representado por el calor que fluye hacia la reacción (endotérmica). La entropía es la cantidad de aleatoriedad de un sistema. Un delta S positivo indica un aumento de la aleatoriedad, mientras que un delta S negativo representa una disminución de la aleatoriedad. La energía libre de Gibbs relaciona estas cantidades y puede usarse para determinar si una reacción es espontánea y también incluye los efectos de la temperatura sobre la espontaneidad.

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