¿CONOCES LA TERMODINÁMICA?

La termodinámica es una ciencia que, mediante el estudio de la relación entre el calor y otros tipos de energía, describe las condiciones de equilibrio hacia las que evolucionan los sistemas, sin tener en cuenta el tiempo. Lo hace a partir de razonamientos deductivos y siguiendo un método experimental.

Una rama de esta ciencia es la termoquímica, que estudia los cambios de energía asociados a las reacciones químicas.

Para comprender estos cambios es necesario entender previamente una serie de conceptos como sistema, energía interna, entalpía y ecuación termoquímica.

• Un sistema es la porción del universo sometida al estudio. En el caso de las reaccione químicas, podría entenderse como el recipiente en el que se desarrolla la reacción justo con su contenido. Los sistemas pueden ser abiertos (si intercambian materia y energía con el entorno), cerrados (si solo intercambian energía con el entorno) o aislados (si no intercambian ni materia ni energía con el entorno).

• La energía interna es la suma de energías que poseen las partículas que contiene un sistema debido a la energía almacenada en los enlaces y la energía cinética de las moléculas y partículas. 

Si el sistema gana energía (absorbe calor), se trata de un proceso endotérmico.

Si el sistema pierde energía (desprende calor), se trata de un proceso exotérmico.

• La entalpía (H) es el calor absorbido o desprendido asociada a un proceso a presión constante. Sus unidades en el SI son os julios, pero también puede aparecer en J/mol o KJ/mol si se trata de la entalpía molar. 

• Las ecuaciones termoquímicas son ecuaciones en las que se incluyen los reactivos, los productos y la energía absorbida o desprendida en el proceso, además del estado de agregación de los reactivos y productos.

Se dice que un sistema está en equilibrio cuando sus propiedades pueden describirse empleando los principios de la termodinámica.

Para poder realizar las prácticas necesitamos conocer el primer principio de la termodinámica (además de este, existe el segundo y tercer principio).

El primer principio o principio de la conservación de la energía establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien éste intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará.

Esta ley permite definir el calor como la energía necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y energía interna. 

Por lo tanto, los cambios de energía se manifiestan en: calor absorbido o desprendio, o trabajo realizado por o sobre el sistema.

El calor se absorbe o se desprende como una variación de la temperatura del sistema.

Se puede calcular como:

• Q = nC(T2 - T1) → Si los datos están referidos a moles.

• Q = mC(T2 - T1) →Si los datos están referidos a masa.

Donde Q es el calor (J), C la capacidad calorífica (Calº/cg)(KJ/kmol), T1 la temperatura inicial(K), T2 la temperatura final (K), n el número de moles (mol), y m la masa (Kg).

Por otro lado, cuando el sistema contiene gases que se expanden o se comprimen, hay que tener en cuenta si el trabajo lo realiza el sistema (expansión), ya que pierde energía, por lo que el trabajo es negativo; o si el trabajo se realiza sobre el sistema (comprensión), ya que gana energía y por lo tanto el trabajo es positivo.

La variación de energía interna de un sistema queda recogida en la siguiente fórmula:

∆U = Q + W

Para un gas se cumple PV = nRT y que T=cte:

∆U = ∆H - RT∆n

Donde U es la energía interna del sistema (aislado), Q es la cantidad de calor aportado al sistema y W es el trabajo realizado por el sistema.

Para calcular la variación de entalpía que nos piden en las prácticas hay que saber que la variación de entalpía molar estándar de una reacción (∆Hºm) es la variación de entalpía molar de dicha reacción a una temperatura de 298 K y una presión de 1 bar. Además, las variaciones de entalpías molares de formación estándar de los elementos son nulas. (Ejemplo: ∆Hºf (o2)=0)

Se puede calcular aplicando la siguiente fórmula:

∆Hºm = ∑ʋi ∆Hºf (productos) - ∑ʋi ∆Hºf (reactivos)