Termodinámica
La termodinámica, como ya se
mencionó anteriormente (texto anterior), surge como una necesidad durante la
revolución industrial, pero con los años, se apoderó de muchas otras áreas y
fue adquiriendo una gran importancia.
La comprensión de este tema, pasa
por interiorizar los 3 principios de la termodinámica, los que proporcionan la
información necesaria para elaborar y aplicar, diversos conceptos y ecuaciones
referentes a la temática.
Primer principio de la termodinámica.
“Establece que a cualquier
sistema puede asignársele una energía que permanece constante cuando el sistema
está aislado. Solo cuando se transfiere calor dentro o fuera del sistema, o cuando
se realiza un trabajo por el sistema o sobre él, la energía de sistema varía, y
entonces lo hace en una cantidad que corresponde al trabajo o al calor añadido
o sustraído.” Termodinámica, Química fundamental, J. Waser, ed. Reverté.
De este principio pueden
interpretarse las siguientes ideas:
v Concepto
de energía interna, dependiente, principalmente de la energía en forma de calor
y de trabajo (los de más tipos de intercambios son despreciables en comparación
a estos dos).
v El
calor como un flujo de energía y no como una cantidad que pueda ser almacenada.
v La
energía del universo se conserva (conservación de la energía), ya que la
energía ganada o perdida por el sistema será opuesta a la cantidad de energía perdida
o ganada por su entorno.
Entalpía
A partir de este principio también
se define otra magnitud termodinámica, la entalpía (H).
Se entiende como entalpía, la
cantidad de calor intercambiada en un proceso que se realiza a presión
constante (Qp).
Esta magnitud es una propiedad extensiva,
por lo que va a depender de la cantidad de reactivos y productos que estén
reaccionando y formándose, respectivamente. Además es una función de estado
(solo depende de las condiciones iniciales y finales, sin importar los pasos
por los que ocurra el cambio), por lo que permite que sea determinada una variación
de entalpía (ΔH). Esta variación se determina a partir de las entalpías de los
reactivos y los productos de la reacción.
Ejemplo: para
determinar la variación de entalpía de la siguiente reacción química,
se deben utilizar sus entalpía de formación
(se encuentran en una tabla de magnitudes termodinámicas) y aplicar la ecuación
anterior, quedando
Los coeficientes
estequiométricos que aparecen en la ecuación matemática se debe a que es una propiedad
extensiva y las cantidades de reactivos y productos formados intervienen en la
entalpia de la reacción.
Calorímetro
La entalpía de una reacción
química puede ser determinada, por ejemplo en un calorímetro. El calorímetro es
un aparato con paredes adiabáticas (paredes aisladas que no permiten el intercambio
de energía en forma de calor con el ambiente), en el cual se llevan a cabo
reacciones químicas, y a partir de las variaciones de temperatura, se determina
la cantidad de calor intercambiada.
Para determinar el calor, y por
lo tanto la variación de entalpía, se utiliza la siguiente ecuación: Q=m.Ce.Δt donde m es la masa de la sustancia, Ce
es el calor específico de la misma sustancia (es una constante) y Δt será su variación de temperatura.
Esto es posible, ya que en estas
condiciones, la cantidad de energía intercambiada como trabajo, con el
ambiente, es cero.
Entalpía de reacción
Cuando se trabaja en un
calorímetro, se debe tener claro que, el calor intercambiado entre el sistema y
el ambiente son iguales, pero con signos opuestos, ya que si en uno aumenta, en
el otro disminuye. Por lo tanto Qrxn=-Qsc
donde Qrxn es el calor de
la reacción y Qsc es el
calor de la solución.
Se entiende por la reacción química,
a las colisiones que ocurren entre las partículas de los reactivos
involucrados. Mientras que la solución donde se encuentran los reactivos, son
su ambiente. Este ambiente, normalmente es una solución acuosa, por lo que la
variación de temperatura que se determine en la solución, se deberá al
intercambio de energía que tenga la solución con la reacción química. Recuérdese
que el calor determinado en la solución será el opuesto a la que tenga la
reacción química.
Ejemplo:
En un calorímetro se realiza una
disolución de NaOH en 100ml de agua. La temperatura del agua sube de 20 a 22.
Calcular la variación de entalpia de la reacción.
La masa del agua es 100g, ya que
su volumen es 100ml (en el agua la densisdad es 1g/ml, por lo que la cantidad
de ml es igual a la cantidad de g)
El Ce del agua es de 1cal/g.°C (es una constante, también
puede usarse 4,18J/g.°C)
Por lo tanto el agua ganó 200cal
en forma de calor. Esta energía proviene de la disolución del NaOH, lo que
quiere decir que el NaOH perdió 200cal de energía en forma de calor (QNaOH=-QH2O)
2. Observa la siguiente imagen. Explica, con una
redacción, que significa para ti y como se llegó a esa situación.
