Termodinámica química: definición y principios

Termodinámica química

¿Tiene un refrigerador en su casa o un motor en su automóvil? Ambas cosas funcionan según los principios de la termodinámica.

¿Alguna vez has notado que hace más calor en el piso de arriba de tu casa que en el de abajo? Eso también es termodinámica. ¿Y la forma en que un termo puede mantener tu café caliente? Sí, lo adivinaste: termodinámica.

La termodinámica química es el estudio de cómo el calor y el trabajo se relacionan entre sí tanto en los cambios de estado como en las reacciones químicas. Implica una serie de reglas y leyes que explican cómo funcionan el calor y el trabajo, bueno, funcionan, y explica qué procesos pueden suceder espontáneamente y cuáles necesitan ayuda.

Hay varios principios básicos de la termodinámica química a considerar: sistemas, leyes de la termodinámica y entalpía. La termodinámica química también se ocupa de cuatro cantidades particulares: energía interna, entalpía, entropía y energía libre de Gibbs. Analicemos todos estos con más detalle.

Sistemas

Para comprender la termodinámica, es útil definir primero algo llamado sistema . Un sistema es una serie de componentes que están conectados entre sí. En pocas palabras, es la parte del mundo en la que nos centramos. Podemos observar lo que entra y sale de un sistema en particular. Por ejemplo, si tenemos café en un termo, podemos llamar al café en sí el sistema, o al termo completo (incluidas las paredes del recipiente).

Hay varios tipos de sistemas en termodinámica química. Un sistema aislado es aquel que tiene paredes rígidas y no permite la transferencia de energía o masa. Las paredes son perfectamente aislantes. Un sistema cerrado tiene paredes que permiten que la energía entre y salga del sistema, pero que no permiten que la masa entre o escape. Y un sistema abierto permite que tanto la energía como la materia entren y salgan.

El límite de un sistema lo define

Leyes de la termodinámica

Hay varias leyes importantes de la termodinámica que forman la piedra angular del campo. La primera ley de la termodinámica dice que el cambio en la energía interna de un sistema cerrado es igual al calor agregado al sistema, menos el trabajo realizado por el sistema en los alrededores. Esto también significa que en un sistema aislado, los cambios de energía dentro del sistema deben ser cero.

La segunda ley de la termodinámica dice que la entropía en el universo siempre debe aumentar. La entropía es la cantidad de desorden en el universo, medida en julios por kelvin. Entonces esto significa que el universo siempre se vuelve más desordenado. Digamos que decides ordenar tu casa: guardas los libros en orden alfabético, lavas los platos y los guardas en pilas ordenadas. Puede pensar que acaba de hacer el universo más ordenado, y de alguna manera lo ha hecho, pero en el universo en su conjunto esto es imposible. Al usar sus músculos para ordenar las cosas, ha producido energía térmica en sus brazos, y esa energía térmica en general ha hecho que el universo sea menos ordenado.

Los gases son más desordenados que los líquidos y sólidos, por lo que tienen una mayor entropía.

Otra consecuencia de la segunda ley de la termodinámica es que el calor solo puede viajar espontáneamente de lugares calientes a lugares fríos. Esto significa que un refrigerador no puede funcionar por sí solo. La única forma de hacer que un refrigerador funcione es trabajando, utilizando energía del suministro eléctrico en la pared. Apague la electricidad y el calor se moverá de lugares calientes (como la habitación) a lugares fríos (como el refrigerador) como siempre.

El calor viaja de lugares calientes a lugares fríos

Funciones de cuatro estados

Los cuatro números que definen el estado de un sistema son energía interna, entalpía, entropía y energía libre de Gibbs. Ya hemos hablado de la entropía (desorden) de un sistema, así que definamos los otros tres.

La energía interna de un sistema es la energía cinética y potencial total de todas las partículas en todo el sistema, o en otras palabras, es la combinación de la energía de movimiento de las partículas y el potencial de movimiento de esas partículas. Esto es algo así como cómo una pelota en la cima de una colina tiene el potencial de rodar cuesta abajo. Se mide en julios.

La entalpía de un sistema es el calor ganado o perdido por un sistema durante una reacción química a una cantidad constante de presión. Es igual a la energía interna perdida por un sistema más el trabajo realizado por el sistema en los alrededores. Se mide en julios por kilogramo.

La energía libre de Gibbs es la cantidad máxima de trabajo que se puede extraer de un sistema cerrado, sin contar las expansiones de volumen. Es la cantidad de energía útil que puede salir del sistema de maneras que no implican empujar un pistón o expandir el espacio en el que se encuentra el gas. Se mide en julios por mol.

La termodinámica química a menudo implica el uso de ecuaciones y estadísticas complejas para calcular estos cuatro números.

Resumen de la lección

La termodinámica química es el estudio de cómo el calor y el trabajo se relacionan entre sí tanto en los cambios de estado como en las reacciones químicas. Los principios clave de la termodinámica química incluyen sistemas, las leyes de la termodinámica y las cuatro funciones estatales.

Los sistemas son el objeto particular o el conjunto de partículas que estás mirando. Los sistemas aislados no permiten que la energía o la masa entren o salgan; los sistemas cerrados no permiten que la masa entre o salga; mientras que los sistemas abiertos permiten que ambos entren o salgan.

La primera ley de la termodinámica dice que el cambio de energía dentro de un sistema es igual a la energía térmica agregada al sistema, menos el trabajo realizado por el sistema. La segunda ley de la termodinámica dice que la entropía del universo siempre aumenta, lo que también significa que el calor solo puede pasar de lugares calientes a lugares fríos a menos que trabajes (agrega energía).

Las cuatro funciones de estado, o números que definen un sistema, son:

• Energía interna : la energía cinética y potencial total del sistema.
• Entalpía : el calor ganado o perdido por un sistema durante una reacción química a presión constante.
• Entropía : la cantidad de desorden en el universo.
• Energía libre de Gibbs : el trabajo máximo que se puede tomar de un sistema cerrado sin cambiar el volumen