Procesos Termodinámicos

Introducción

Los químicos has investigado durante mucho tiempo en busca de un principio para determinar si una reacción química dada se ha de llevar a cabo. Si se pudiera saber con exactitud, sin recurrir a la experimentación directa, si dos o más sustancias han de reaccionar espontáneamente, se ahorraría una gran cantidad de tiempo, esfuerzo y dinero. En este capítulo se estudiara los factores y procesos de la termodinámica. Se han planteado dos enfoques amplios de este problema, uno de ellos basado en los principios de la estructura molecular y el otro en tres leyes experimentales de la termodinámica. Se tiene la firme convicción de que se puede predecir las reacciones u otros cambios que sufren las moléculas si obtenemos una comprensión clara de su estructura y sus enlaces.

Por medio de la termodinámica el químico se ha desarrollado toda una ciencia de las reacciones químicas. Por medios de la termodinámica el químico puede predecir no solo si una reacción ocurrirá, sino también hasta qué punto se desarrollara

La termodinámica

El desarrollo de esta ciencia empezó en el siglo XVIII a partir de los conocimientos empíricos, debido a la necesidad del hombre de crear máquinas donde a través de la energía calorífica se produjera un trabajo mecánico, como son las máquinas de vapor.

La termodinámica (en griego termo significa “calor” y dinámico significa “fuerza”) se define como la rama de la física que estudia las relaciones de la energía y sus transferencias pero, sobre todo, en la que interviene el calor y el trabajo mecánico.

Los estados de equilibrio se estudian y definen por medio de magnitudes extensivas tales como la energía interna, la entropía, el volumen o la composición molar del sistema, o por medio de magnitudes no-extensivas derivadas de las anteriores como la temperatura, presión y el potencial químico; otras magnitudes, tales como la imanación, la fuerza electromotriz y las asociadas con la mecánica de los medios continuos en general también pueden tratarse por medio de la termodinámica.

Procesos termodinámicos.

Proceso Isotérmico

Este proceso se rige por la ley de Boyle-Mariotte de Robert Boyle (1626-1691), Físico Químico irlandés conocido por sus experimentos acerca de las propiedades de los gases y Edme Mariotte (1620-1684), Físico Francés que descubrió la ley que relación la presión y el volumen de los gases a temperatura constante.

Si un proceso isotérmico formado por un gas experimenta una expansión isotérmica, para que la temperatura permanezca constante la cantidad de calor recibido debe ser igual al trabajo que realiza durante la expansión. Pero si presenta una compresión isotérmica, para que la temperatura también permanezca constante el gas tiene que liberar una cantidad de calor igual al trabajo desarrollado sobre él.

La temperatura no cambia, su energía interna (Ei), son constantes y su variación de energía interna (Ei) es igual a cero, por lo que se cumple que (Ei es constante) (∆Ei = 0 ) Q=Tr.

Proceso isobárico:

Es cuando hay una variación del volumen o temperatura y la presión permanece constante, no importando si el gas sufre una compresión o una expansión. Este proceso rige por la Ley de Charles: Jackes A. Charles

Proceso isocorico:

Se presenta cuando el volumen del sistema permanece constante. Ya que la variación del volumen es cero, no se realiza trabajo sobre el sistema ni de éste último de sobre los alrededores, por lo que se cumple Tr = 0 y ∆Ei = Q, esto indica que todo el calor suministrado aumentara en la misma proporción a la energía interna, en general esto se presenta cuando un gas se calienta dentro de un recipiente con volumen fijo.

Cuando se calientan dos masas iguales de gas, a una presión constante y otra a volumen constante, para que logren el mismo incremento de temperatura se requiere proporcionar mayor calor al sistema a presión constante (Qp>Qv). Ello se debe a que en el proceso isobárico el calor suministrado se usa para aumentar la energía interna y efectuar trabajo, mientras que en el proceso isocórico todo el calor se usa para incrementar exclusivamente la energía interna.

(1ra ley)

Importancia de la energía interna en el estudio de las reacciones químicas.

La primera ley de termodinámica nos permite llegar a algunas conclusiones acerca de los sistemas aislados, pero desafortunadamente no se pueden hacer observaciones en sistemas realmente aislados. Para estudiar cualquier sistema y sus alrededores inclusive el tomar una temperatura implica que parte de la energía pasa del sistema de alrededores a través del termómetro. Por consiguiente, nunca se puede investigar un sistema verdaderamente aislado.

En la mayoría de los experimentos los químicos no están interesados en sistemas aislados. Con frecuencia se estudian las reacciones químicas en un baño de aceite a temperatura constante. A medida que se desarrollara la reacción es probable que un baño de aceite mantenido a temperatura constante por un termostato pueda absorber o desprender calor. Puesto que el baño de aceite mantenido la temperatura interna del sistema, las demás propiedades internas del sistema de la reacción son las que cambian lo cual quiere decir que la energía interna cambia. Puesto que el sistema de la reacción no está en movimiento y su posición no cambia, su energía cinética y potencial se mantienen constantes. No hay cambio mensurable en la masa del sistema y por lo tanto el equivalente en energía de la masa del sistema se mantiene constante.

Reacción estudiada en un baño de aceite con control termostatico

Las tres leyes de la termodinámica

En la primera de las tres leyes de la termodinámica que establece que la energía puede interconvertirse de una forma en otra, pero no puede crearse ni destruirse. Una medida de estos cambios es la cantidad de calor liberado o absorbido por un sistema durante un proceso a presión constante, que los químicos definen como un cambio en la entalpía (ΔH)

La segunda ley de la termodinámica explica por qué los procesos químicos se ven favorecidos en una dirección. La tercera ley es una extensión de la segunda y se estudiará posteriormente.

Los procesos espontáneos y la entropía

Uno de los principales objetivos al estudiar termodinámica, al menos por lo que respecta a los químicos, es poder predecir si ocurrirá alguna reacción cuando se mezclen los reactivos en condiciones especiales

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