Fuerza Electromotriz EMF: Definición, unidad y fórmula

¿Qué es el campo electromagnético?

La fuerza electromotriz o EMF es la fuerza eléctrica producida por la conversión de cualquier forma de energía en energía eléctrica. La FEM es una cantidad que está presente en las explicaciones del comportamiento de las células electroquímicas y de la inducción electromagnética. Por ejemplo, en el caso de un circuito eléctrico simple que consta de un generador, cables conductores y resistencias, la EMF mide la energía que el generador (fuente de fuerza electromotriz) proporciona a la unidad de carga para moverse de una posición a otra. En este sentido, la fuerza electromotriz se puede definir como el potencial eléctrico producido por una fuente de fuerza electromotriz.

Unidad EMF

Debido a que es una medida del potencial eléctrico, la unidad EMF en el Sistema Internacional (SI) es el voltio (V). En este sentido, la fuerza electromotriz es la relación entre la cantidad de energía en Julios (J) producida por una fuente EMF y la cantidad de carga eléctrica, en Culombio (C), que se mueve de un lugar a otro durante un tiempo determinado.. Por tanto, una medida de 1 V equivale a 1 julio por culombio.

Fórmula CEM

La fuerza electromotriz se puede calcular a partir de la relación entre el trabajo requerido para transportar la carga eléctrica desde el potencial eléctrico más bajo al más alto y el módulo de la carga eléctrica. Por tanto, la fórmula del FEM es:

{eq}\varepsilon = \frac{\tau}{q} {/eq}

dónde:

• {eq}\varepsilon {/eq} es la FEM, en voltios (V);
• {eq}\tau {/eq} es el trabajo, es decir, la medida de energía que se transfiere a un cuerpo, en Julios (J);
• {eq}q {/eq} es la carga eléctrica, en culombios (C).

EMF de una batería

Para comprender la FEM de una batería es importante saber que una batería es estrictamente un conjunto de celdas electroquímicas asociadas en serie y/o paralelo para aumentar el voltaje y/o la capacidad energética. En este sentido, una celda electroquímica convierte la energía química en energía eléctrica mediante una reacción de óxido-reducción. Para ello, esta celda se estructura de la siguiente manera:

• Dos electrodos:
  
  • Un ánodo, que es un electrodo negativo y que libera electrones al circuito externo mientras se oxida.
  • Un cátodo, que es el electrodo positivo y que absorbe electrones del circuito externo mientras se reduce químicamente.
• Electrolito, el conductor iónico que transfiere carga eléctrica entre el ánodo y el cátodo en forma de iones.
• Cable metálico externo que conecta los electrodos y proporciona un camino para el movimiento de la carga.

Las fuerzas químicas son responsables de proporcionar energía para que las cargas eléctricas puedan moverse a lo largo de un camino dentro de una celda o batería, dando lugar a la FEM de la celda o batería. En este sentido, la diferencia de potencial medida instantáneamente cuando se ensambla una celda en condiciones estándar se conoce como fuerza electromotriz estándar.

Diferencia entre EMF y diferencia potencial

Aunque se expresan en la misma unidad, el Voltio, existen varias diferencias entre la fuerza electromotriz y la diferencia de potencial (U). La FEM tiene una magnitud constante y es el voltaje total inducido por la fuente. En otras palabras, es la cantidad de energía suministrada como trabajo por la fuente por cada culombio de carga. La diferencia de potencial es un efecto de la fuerza electromotriz y es la diferencia de potencial entre dos puntos en un circuito cerrado. Un ejemplo sería un campo eléctrico que surge de la interacción de cargas presentes en un sistema, como un circuito eléctrico simple. Al interactuar con las cargas de los conductores, el campo hace que las cargas se muevan. La diferencia de potencial se define entonces como la cantidad de energía disipada por un Coulomb de carga para moverse de un punto a otro y se puede definir con la fórmula

{eq}U = \frac{E_{eléctrico}}{q} {/eq}

dónde:

• {eq}U {/eq} es la diferencia de potencial, en Voltios (V);
• {eq}E_{electrical} {/eq} es la energía eléctrica que disipa una carga para desplazarse de un punto a otro, en julios (J);
• {eq}q {/eq} es la carga eléctrica, en culombios (C).

En un circuito simple, la diferencia de potencial es directamente proporcional a su resistencia.

¿Qué es la energía libre de Gibbs?

La energía libre de Gibbs ({eq}\Delta G {/eq}) es de fundamental importancia para determinar la energía máxima que se puede obtener de un sistema para realizar trabajo a presión y temperatura constantes. Esta función es importante porque sigue la mayoría de los procesos de reacción. En este sentido, la energía libre da información sobre la espontaneidad de una reacción. Para procesos espontáneos a presión y temperatura constantes, el cambio de energía libre de Gibbs es menor que cero, mientras que, para procesos reversibles o procesos en equilibrio, el cambio de energía libre de Gibbs es igual a cero.

En el caso de la celda electroquímica, el trabajo en cuestión está relacionado con la transferencia de electrones entre el cátodo y el ánodo de la batería. En condiciones estándar, este trabajo tiene su valor máximo y la energía libre se denota por {eq}\Delta G^{\circ} {/eq}, que es la energía libre de Gibbs estándar. De este modo:

{eq}\Delta G^{\circ} = w_{max} = w_{eléctrico} {/eq}

Finalmente, como el trabajo eléctrico máximo está relacionado con la FEM de una celda, se puede relacionar la energía de Gibbs con la fuerza electromotriz de la siguiente manera:

{eq}\Delta G^{\circ} = w_{eléctrico} = -nF\varepsilon^{\circ} {/eq}

dónde:

• {eq}\Delta G^{\circ} {/eq} es la energía de Gibbs libre estándar, en julios (J);
• {eq}n {/eq} es el número de moles de electrones transferidos, en moles (mol)
• {eq}F {/eq} es la constante de Faraday y representa la carga molar elemental ({eq}F = 96,485 \space C \space mol^{-1}{/eq});
• {eq}\varepsilon^{\circ} {/eq} es la FEM de la celda en condiciones estándar, en voltios (V).

Energía libre de Gibbs positiva

La energía libre de Gibbs busca medir la energía total asociada a un sistema termodinámico. En este contexto, un valor positivo de Energía Libre de Gibbs significa que el proceso en cuestión no es espontáneo; es decir, para que ocurra se necesita una adición externa de energía al sistema. Esto sucede, por ejemplo, en una celda electrolítica, que es un dispositivo utilizado para la descomposición, mediante corriente eléctrica, de sustancias ionizadas. A diferencia de la celda electroquímica, la reacción de reducción en la celda electrolítica no es espontánea. Por lo tanto, se debe suministrar energía para que se produzca la reducción de las cargas en la celda. Esta energía es la fuerza electromotriz.

Resumen de la lección

La fuerza electromotriz o EMF es la cantidad de energía eléctrica (trabajo) que una fuente EMF es capaz de realizar en cada unidad de carga eléctrica. Este trabajo es equivalente a la cantidad de energía por unidad de carga necesaria para separar electrones en una celda electrolítica. Es una cantidad escalar y no debe confundirse con la diferencia de potencial (U), aunque ambas tienen la misma unidad de medida. En el SI, la unidad EMF y la diferencia de potencial es el voltio (V). La fórmula EMF es: {eq}\varepsilon = \frac{\tau}{q} {/eq}.

La energía libre de Gibbs ({eq}\Delta G {/eq}) es una función termodinámica que mide la energía total disponible para realizar un trabajo no expansivo en un sistema a temperatura y presión constantes. Este valor determina si un proceso químico es espontáneo o no. Cuando un proceso es espontáneo, como en la reacción de reducción de una celda electroquímica, {eq}\Delta G {/eq} es negativo y la FEM es positiva. En el caso de un proceso no espontáneo, como la descomposición de cargas en una celda electrolítica, {eq}\Delta G {/eq} es una energía libre de Gibbs positiva. En este caso, el EMF es negativo y debe suministrarse al sistema para que se lleve a cabo el proceso. Se puede relacionar la Energía Libre de Gibbs con la FEM de la siguiente manera:

{eq}\Delta G^{\circ} = w_{eléctrico} = -nF\varepsilon^{\circ} {/eq}