Bachillerato

Termodinámica química

Autor: Alberto Fernández

Termodinámica

Ciencia que estudia las variaciones de energía térmica que acompañan

a los procesos físicos y químicos. Libro de Bachillerato

Es una rama de la ciencia que estudia el calor y la temperatura y su

relación con la energía y el trabajo.Wikipedia

Rama de la física encargada del

estudio de la interacción entre el

calor y otras manifestaciones de

la energía. RAE

¿Cuál es la diferencia entre

temperatura y calor?

termómetros emisión en infrarrojo

Termodinámica química

La humanidad ha utilizado desde antiguo las reacciones químicas para producir energía.

Termodinámica química: Es la parte de la Química que estudia las transferencias de calor asociadas a las reacciones químicas.

Sistemas termodinámicos

Sistema termodinámico es aquella parte del universo que

separamos del resto mediante límites definidos, reales o

ficticios, objeto de nuestro estudio.

Entorno es el resto del universo.

tipos de sistemas

Función de estado

La descripción del estado de un sistema se realiza mediante los valores de determinadas propiedades macroscópicas denominadas variables termodinámicas, tales como p, V, T, m...

1. Variable o función de estado es aquella magnitud cuyo valor depende sólo

del estado en que se encuentre el sistema y no de cómo ha evolucionado para

llegar a él. Como la presión, el volumen o la temperatura.

2. No es función de estado aquella magnitud cuyo valor depende de cómo

evoluciona el sistema para llegar a él. Como el calor o el trabajo.

La altura es función de estado , en cambio el

camino recorrido no es función de estado.

Proceso reversible e irreversible

Un proceso reversible es aquel que puede llevarse desde su estado final al inicial con las mismas condiciones iniciales tanto del sistema como del entorno.

un proceso reversible estáconstituido por infinitos estados intermedios.

En la naturaleza todos los procesos son irreversibles.

Procesos singulares

Procesos singulares Magnitud

Proceso isotérmico T=cte

Proceso isocórico V=cte

Proceso isobárico p=cte

Proceso adiabático Q=0

Calor y trabajo

Calor y trabajo son 2 formas de transferencia de energía entre un sistema y su entorno.

Calor es la transferencia de energía debida a una diferencia de temperatura o al cambio de estado físico de un sistema.

Trabajo es la transferencia de energía entre el sistema y su

entorno que provoca un desplazamiento. A presión constante:

Energía interna

Energía interna de un sistema es una función de estado que

se define como la suma de las energías (cinética y potencial) de

todas las partículas (átomos) que lo constituyen.

Medimos su variación, ΔU.

Primer principio de la termodinámica

ΔU=Q+W

La variación de la energía interna de un sistema

termodinámico es igual a la suma del calor y del trabajo

intercambiados por el sistema con su entorno.

Primer principio en procesos singulares

Proceso Característica ΔU

Isotérmico T = constante ΔU = 0 Q = -W

Isocórico V = cte W = 0 ΔU = Qv

Isobárico p = cte W = - p(Vf -Vi) ΔU = Qp - p(Vf -Vi)

Adiabático Q = 0 ΔU = W

ΔU=Q+W

Entalpía

H=U+pV

En un proceso isobárico el primer principio de la

termodinámica se transforma y nos da una nueva magnitud, la

entalpía.

La variación de la entalpía por tanto, es el calor absorbido o

cedido por el sistema en un proceso isobárico.

La mayor parte de los procesos (reacciones químicas)

ocurren a presión constante (la atmosférica).

[H]=J

ΔH=Qp

Ecuación termoquímica

La ecuación termoquímica es una ecuación química que

indica, además, el calor que interviene en el proceso.

Proceso exotérmico: El sistema cede calor al entorno.

Proceso endotérmico: El sistema absorbe calor de su entorno.

ΔH<0

ΔH>0

Ejemplos de ecuaciones termoquímicas

Proceso exotérmico:

El sistema cede calor al entorno.

Proceso endotérmico:

El sistema absorbe calor de su entorno.

Determinación experimental de ΔH

Se lleva a cabo la reacción a estudiar dentro del calorímetro.

Medimos el calor a presión constante producido o absorbido

por la reacción, mediante la diferencia de temperaturas.

Calorímetro

Ley de Hess

La ley de Hess se basa en el carácter de función de estado de la entalpía.

Nos da una herramienta algebraica para buscar entalpías de

reacciones mediante otras ya conocidas.

Entalpía de formación estándar

C(s)+O2(g) → CO2(g) ΔHf0=-394 kJ/mol

Es la variación de entalpía del proceso en el que se forma 1 mol de ese compuesto a partir de las sustancias simples que lo componen en condiciones estándar.→ (T=25ºC; P=0,987 atm ≈ 1 atm)

C2H5OH(l)+3 O2(g) → 2 CO2(g)+3 H2O(l) ΔHf0=-1367 kJ

ΔHreacción=ΣHproductos-ΣHreactivos

Entalpía de enlace

Es la energía promedio requerida para romper 1 mol de enlaces.

Consideramos sólo compuestos en fase gaseosa, ya que el resto de estados intervienen otras fuerzas.

ΔHreacción=ΣHenlaces rotos-ΣHenlaces nuevos

EJEMPLO

Buena aproximación con respecto al valor real ΔHf0(H2O(g))=−242 kJ/mol

La espontaneidad de las reacciones químicas

A finales del S. XIX se creía que sólo las reacciones químicas exotérmicas podrían ocurrir espontáneamente.

Proceso físico espontáneo

T=25 ºC

T=0 ºC

Se descubrieron reacciones químicas endotérmicas que

ocurren espontáneamente La espontaneidad no depende

sólo de ΔH ¿De qué más depende?

Entropía

La espontaneidad de una reacción depende también de la variación de la entropía.

La entropía es una función de estado que mide el grado de

desorden de un sistema.

Entropía

Variación de entropía de un proceso

ΔSreacción=ΣSproductos-ΣSreactivos

EJEMPLO

Una simple inspección visual de la reacción nos hace ver que la variación de la entropía va a resultar negativa, ya que el número de

partículas disminuye (4 2 moles).

Energía libre de Gibbs

La energía libre de Gibbs nos va a dar el criterio de

espontaneidad. A presión y temperatura constante viene dada por:

La energía libre de Gibbs es consecuencia del segundo principio

de la termodinámcia.

ΔG=ΔH – T ΔS

ΔSuniverso > 0 con el tiempo2º Principio de la Termodinámica

ΔSuniverso = ΔSsistema + ΔSentorno

ΔG < 0 Proceso ESPONTÁNEO

Criterio de espontaneidad e influencia de la temperatura

Reacción química

espontánea

ΔG=ΔH – T ΔS

T baja

T alta

ΔS=−544 J/KT ΔG = 0 = 2714 ºC

T fusión = 1538 ºC