La termodinámica química es una rama fundamental de la química que se centra en el estudio de las transformaciones energéticas que ocurren durante las reacciones químicas. Esta disciplina proporciona las herramientas y los conceptos necesarios para comprender cómo la energía se intercambia entre los sistemas químicos y cómo se puede predecir el curso de una reacción. Este concepto también se conoce como termoquímica.
Por lo tanto, la termodinámica química se refiere a las conversiones de energía química en energía térmica y viceversa, que ocurren durante una reacción entre sustancias con afinidad química y estudia las variables conectadas a ellas.
La relación entre termodinámica y la energía incluye los cambios físicos de la materia. Todas estas conversiones se realizan dentro de los límites de las leyes de la termodinámica.
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La energía del universo es constante: primera ley de la termodinámica.
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En cualquier proceso espontáneo, siempre hay un aumento en la entropía del universo: segunda ley de la termodinámica.
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La entropía de un cristal perfecto (bien ordenado) a 0 Kelvin es cero: tercera ley de la termodinámica.
La termodinámica química implica no sólo 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.
Los inicios de la termodinámica química surgen en el trabajo de Josiah Willard Gibbs " Sobre el equilibrio de sustancias heterogéneas " (1878).
Conceptos básicos de la termoquímica
Algunos de los conceptos clave incluyen:
1. Energía Interna (U)
La energía interna de un sistema químico se refiere a la energía total contenida en el sistema, incluyendo la energía cinética y potencial de las partículas que lo componen. El cambio en la energía interna de un sistema durante una reacción se denomina como ΔU.
2. Entalpía (H)
La entalpía es una función termodinámica que representa la cantidad de energía térmica absorbida o liberada por un sistema durante una reacción a presión constante. Se denota como H y está relacionada con la energía interna por la ecuación:
H=U+PV
Donde P es la presión y V es el volumen del sistema.
3. Ley de conservación de la energía
Esta ley, también conocida como la primera ley de la termodinámica, establece que la energía no se crea ni se destruye, sino que se transfiere o se convierte de una forma a otra. En el contexto de la termodinámica química, esta ley se aplica a las reacciones químicas, donde la energía no se pierde, sino que se redistribuye entre las sustancias involucradas.
4. Ley de Hess
La ley de Hess establece que el cambio de entalpía en una reacción química depende únicamente de los estados inicial y final de los reactivos y productos, y no de la ruta seguida para alcanzar esos estados. Esto permite calcular ΔH para una reacción química a partir de las entalpías de formación de los reactivos y productos.
Termodinámica y reacciones químicas
La termodinámica química se aplica a menudo al estudio de reacciones químicas, permitiendo determinar si una reacción es factible desde el punto de vista energético y bajo qué condiciones.Algunos conceptos clave relacionados con las reacciones químicas y la termodinámica son:
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Energía de activación: La energía de activación es la energía mínima que las partículas deben tener para que ocurra una reacción química. La termodinámica se centra en la diferencia entre la energía de activación y la energía total liberada o absorbida en una reacción.
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Equilibrio químico: En un sistema en equilibrio, la energía libre es mínima y no hay cambios netos en las concentraciones de los reactivos y productos.
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Ley de Le Chatelier: Esta ley describe cómo un sistema en equilibrio responde a cambios en la concentración, la presión o la temperatura.
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Energía Libre de Gibbs (ΔG): La energía libre de Gibbs es una medida de la disponibilidad de energía para realizar trabajo útil durante una reacción química. ΔG es un indicador de si una reacción es espontánea (ΔG negativo) o no (ΔG positivo).
