Menu

Termodinámica.
Transformación de la energía

Energía térmica i combustión.
Efectos de la termodinámica 

Entropía

Termodinámica química

Termodinámica química

La termodinámica química (o termoquímica) es la rama de la termodinámica que estudia los efectos térmicos causados por reacciones químicas, llamados el calor de reacción. Por lo tanto, la termodinámica química se refiere a las conversiones de energía química en energía térmica y viceversa, que ocurren durante una reacción y estudia las variables conectadas a ellas, como la entalpía de enlace, la entropía de formación estándar, etc. Todas estas conversiones se realizan dentro de los límites de las leyes de la termodinámica.

Además de los principios termodinámicos existen dos leyes rigen toda la disciplina de la termoquímica:

  • Ley de Lavoisier y Laplace (formulada en 1780): la transferencia de calor que acompaña a una reacción química dada es igual y contraria a la transferencia de calor de la reacción opuesta;
  • Ley de Hess (formulada en 1840): la variación de la entalpía de reacción es la misma que la reacción se produce en una o más etapas sucesivas e independientes (incluso puramente hipotéticas).

Las dos leyes se dedujeron empíricamente y se enunciaron antes del primer principio de la termodinámica: sin embargo, puede probar que son consecuencias directas de la misma, así como el hecho de que la entalpía H y la energía interna U son funciones termodinámicas del estado.

La termodinámica química implica no solo mediciones de laboratorio de varias propiedades termodinámicas, sino también la aplicación de métodos matemáticos para el estudio de preguntas químicas y la espontaneidad de los procesos.

En la energía solar fotovoltaica la termodinámica química tiene especial relevancia en la carga y la descarga de baterías. Durante este proceso se experimenta un intercambio entre energía química y electricidad.

Descripción de la termodinámica química

El objetivo principal de la termodinámica química es el establecimiento de un criterio para determinar la factibilidad o espontaneidad de una transformación dada. De esta manera, la termodinámica química se usa típicamente para predecir los intercambios de energía que ocurren en los siguientes procesos: reacciones químicas, cambios de fase, formación de soluciones.

Las siguientes funciones de estado son de interés principal en termodinámica química: energía interna (U), entalpía (H), entropía (S), energía libre de Gibbs (G).

La estructura de la termodinámica química se basa en las dos primeras leyes de la termodinámica. A partir de la primera ley de la termodinámica y la segunda ley de la termodinámica, se pueden derivar cuatro ecuaciones denominadas "ecuaciones fundamentales de Gibbs". A partir de estos cuatro, se pueden derivar una multitud de ecuaciones, que relacionan las propiedades termodinámicas del sistema termodinámico, usando matemáticas relativamente simples. Esto delinea el marco matemático de la termodinámica química.

Sistemas termodinámicos

En termoquímica existen varias definiciones termodinámicas muy útiles. Un sistema termodinámico es la porción específica del universo que se está estudiando. Todo lo que está fuera del sistema se considera entorno o entorno. Un sistema puede ser:

  • Un sistema termodinámico (completamente) aislado que no puede intercambiar energía ni materia con el entorno, como un calorímetro de bomba aislado.
  • Un sistema aislado térmicamente que puede intercambiar trabajo mecánico, pero no calor o materia, como un pistón o globo cerrado aislado.
  • Un sistema aislado mecánicamente que puede intercambiar calor, pero no trabajo o materia mecánica, como un calorímetro de bomba no aislado
  • Un sistema cerrado que puede intercambiar energía, pero no importa, como un globo o pistón cerrado sin aislamiento
  • Un sistema abierto que puede intercambiar materia y energía con el entorno, como una olla de agua hirviendo

Reacciones químicas

En la mayoría de los casos de interés en la termodinámica química, existen grados internos de libertad y procesos, como las reacciones químicas y las transiciones de fase. Estas reacciones químicas siempre crean entropía a menos que estén en equilibrio o se mantengan en un equilibrio continuo.

Incluso para materiales homogéneos, las funciones de energía libre dependen de la composición, al igual que todos los potenciales termodinámicos extensos, incluida la energía interna.

Historia de la termodinámica química

En 1865, el físico alemán Rudolf Clausius, en su Mechanical Theory of Heat, sugirió que los principios de la termoquímica, por ejemplo, el calor generado en las reacciones de combustión, podrían aplicarse a los principios de la termodinámica. Sobre la base del trabajo de Clausius, entre los años 1873-76 el físico matemático estadounidense Willard Gibbs publicó una serie de tres artículos, el más famoso fue el documento Sobre el equilibrio de sustancias heterogéneas.

En estos artículos, Gibbs mostró cómo las dos primeras leyes de la termodinámica podría medirse gráfica y matemáticamente para determinar tanto el equilibrio termodinámico de las reacciones químicas como sus tendencias a ocurrir o avanzar. La colección de documentos de Gibbs proporcionó el primer cuerpo unificado de teoremas termodinámicos a partir de los principios desarrollados por otros, como Clausius y Sadi Carnot.

A principios del siglo XX, dos publicaciones importantes aplicaron con éxito los principios desarrollados por Gibbs a los procesos químicos, y así establecieron los cimientos de la ciencia de la termodinámica química. El primero fue el libro de texto de 1923 Termodinámica y la Energía Libre de Sustancias Químicas de Gilbert N. Lewis y Merle Randall. Este libro fue responsable de suplantar la afinidad química con el término energía libre en el mundo de habla inglesa.

El segundo fue el libro de 1933 Modern Thermodynamics por los métodos de Willard Gibbs, escrito por EA Guggenheim.. De esta manera, Lewis, Randall y Guggenheim son considerados los fundadores de la termodinámica química moderna debido a la gran contribución de estos dos libros para unificar la aplicación de la termodinámica a la química.

valoración: 3 - votos 1

Última revisión: 24 de septiembre de 2019