Termodinámica Química

Procesos Espontáneos

La termodinámica química estudia las relaciones energéticas en los procesos químicos. Un proceso espontáneo es aquel que ocurre sin intervención externa, avanzando en un sentido definido. Ejemplos incluyen la combustión del metano y la fusión del hielo a temperatura ambiente.

• Espontaneidad: No depende solo del cambio de energía interna; también intervienen otros factores.

• Ejemplo: Un huevo que cae y se rompe es espontáneo, pero el proceso inverso no lo es.

La combustión del gas natural es un proceso espontáneo una vez iniciado.

La espontaneidad puede depender de la temperatura, como en la fusión y congelación del hielo.

Procesos Reversibles e Irreversibles

Un proceso reversible es aquel que puede invertirse sin cambios netos en el sistema ni en el entorno. En contraste, un proceso irreversible no puede revertirse por el mismo camino, y el entorno cambia permanentemente.

• Ejemplo: Expansión de un gas en un vacío es irreversible.

Entropía y Segunda Ley de la Termodinámica

La entropía (S) es una función de estado que mide el desorden o aleatoriedad de un sistema. La segunda ley de la termodinámica establece que en todo proceso espontáneo la entropía neta del universo aumenta.

• Expansión espontánea de un gas: El gas se distribuye en el volumen disponible, aumentando el desorden.

La entropía aumenta cuando un sólido se disuelve en agua, ya que los iones se distribuyen aleatoriamente.

La entropía también aumenta en procesos como la vaporización y la fusión.

Relación de la Entropía con el Calor y la Temperatura

El cambio de entropía en un proceso reversible a temperatura constante se calcula como:

Donde es el calor transferido en un proceso reversible y es la temperatura absoluta.

Segunda Ley de la Termodinámica

La segunda ley se expresa matemáticamente como:

• En procesos espontáneos:

• En procesos reversibles:

Ejemplo: La oxidación del hierro es espontánea, aunque la entropía del sistema disminuye, la del entorno aumenta más.

Entropía y Vida

Los sistemas vivos presentan alto grado de organización, lo que implica una disminución de entropía. Sin embargo, adquieren su orden a expensas del entorno, aumentando la entropía total del universo.

Interpretación Molecular de la Entropía

La entropía está relacionada con el número de formas en que las partículas pueden distribuirse. Los movimientos moleculares incluyen traslación, vibración y rotación.

La tercera ley de la termodinámica establece que la entropía de un sólido cristalino perfecto a 0 K es cero.

Entropía, Desorden y Boltzmann

Ludwig Boltzmann relacionó la entropía con el número de arreglos posibles de las partículas:

• Donde es el número de arreglos posibles y es la constante de Boltzmann.

Cambios de Entropía en Reacciones Químicas

El cambio de entropía estándar de una reacción se calcula como:

Las entropías molares estándar de los gases son mayores que las de líquidos y sólidos.

Energía Libre de Gibbs

La energía libre de Gibbs (G) combina entalpía y entropía:

El signo de determina la espontaneidad:

• : proceso espontáneo

• : equilibrio

• : proceso no espontáneo

Energía Libre y Constante de Equilibrio

La relación entre energía libre estándar y la constante de equilibrio es:

• Donde es la constante de los gases y la temperatura absoluta.

Aplicaciones Biológicas: Impulsar Reacciones No Espontáneas

En sistemas biológicos, las reacciones no espontáneas se impulsan acoplándolas a reacciones espontáneas, como la oxidación de glucosa. El ATP actúa como transportador de energía libre.

Resumen de Conceptos Clave

• Procesos espontáneos: Avanzan en un sentido definido, irreversibles.

• Entropía: Medida del desorden; aumenta en procesos espontáneos.

• Segunda ley: La entropía del universo aumenta en procesos espontáneos.

• Tercera ley: Entropía de un sólido cristalino perfecto a 0 K es cero.

• Energía libre de Gibbs: Combina entalpía y entropía; determina espontaneidad y trabajo útil.

• Constante de equilibrio: Relacionada directamente con la energía libre estándar.