Termodinámica: Principios, Variables y Procesos Clave

Fundamentos de la Termodinámica

Primer Principio de la Termodinámica

Cuando un sistema termodinámico sufre un cambio físico o químico, su energía interna varía y se producen intercambios de energía con el entorno en forma de calor y/o trabajo, cumpliéndose que ΔH = Q + W.

Relación entre Qp (ΔH) y Qv (ΔU)

Serán iguales en el caso de que la cantidad de moles de gases no varíe.

Variables Termodinámicas

Son magnitudes que determinan el estado de un sistema. Pueden ser:

• Extensivas: Su valor depende del tamaño del sistema.
• Intensivas: Su valor no depende del tamaño del sistema.

Sistemas Termodinámicos

Cualquier porción de materia del universo que nosotros delimitemos con límites reales o imaginarios. Tipos:

• Abiertos: Intercambio de energía y materia con el entorno.
• Cerrados: Intercambia energía pero no materia.
• Aislados: No intercambia ni materia ni energía.

Tipos de Procesos Termodinámicos

• Reversible: Cuando las variables del sistema varían muy lentamente con el tiempo y el sistema se halla en todo momento en un estado de equilibrio con su entorno, siendo posible en todo momento hacer que el sistema evolucione en sentido contrario.
• Irreversible: Si las variables varían muy rápidamente con el tiempo y no se produce equilibrio con el entorno, por lo que no se puede invertir el proceso.

Ley de Hess

Es una consecuencia del hecho de que la entalpía es una función de estado y, por tanto, su variación en un proceso termodinámico solo depende del estado inicial y final. La ΔH de un proceso es igual a la suma de ΔH de las etapas o procesos intermedios que llevarían al mismo estado final. El ciclo de Born-Haber es una aplicación de esta ley.

Entropía (S) - (J/K)

Es la función de estado que mide el grado de desorden molecular del sistema. La entropía del sistema aumenta cuando pasa a un estado de mayor desorden. En las reacciones químicas, la entropía aumenta si aumenta el número de moles de gases. La ΔS de un sistema se calcula como: (Qrev/T). Si el sistema es irreversible, ΔS > (Qrev/T). La entropía de una sustancia cristalina pura con ordenamiento perfecto se considera que es 0 a 0ºK. La entropía a cualquier temperatura que no sea 0ºK es positiva. Podemos calcular la ΔS como: ΔSreacción = ΣSºproductos - ΣSºreactivos

Segundo Principio de la Termodinámica

En la naturaleza existen procesos espontáneos que ocurren sin intervención externa (ej. oxidación del hierro). También existen procesos que no ocurren de forma espontánea pero que podemos producirlos mediante acción externa. El Segundo Principio de la Termodinámica establece que un sistema sufre un proceso espontáneo si en él la entropía del universo aumenta: ΔS = ΔSentorno + ΔSsistema

Como determinar la ΔS del entorno es muy complejo, se utiliza una magnitud del sistema que permite predecir la espontaneidad o no del proceso. Para facilitar estas operaciones utilizamos la Energía Libre de Gibbs: G = H - T·S ==> ΔG = ΔH - T·ΔS. Si ΔG < 0 el proceso es espontáneo; si ΔG > 0 el proceso no es espontáneo.