termodinámica química

 

  • El signo menos viene de la aseveración de que la afinidad fue definida para representar la regla acerca de que los cambios espontáneos siempre ocurren cuando el cambio en
    la energía libre de Gibbs del proceso es negativo, significando que las especies químicas tienen una afinidad positiva entre ellas.

  • El punto importante es que el alcance de reacción para una reacción química debe ser emparejado con el desplazamiento de una cantidad mecánica o eléctrica externa de una manera
    en que una pueda avanzar únicamente si la otra lo hace.

  • Reacciones químicas En muchos casos de interés en la termodinámica química existen grados de libertad internos y procesos como reacciones químicas y transiciones de fase,
    las cuales siempre generan entropía a menos que se encuentren en equilibrio o mantenidas en un “equilibrio constante” a través de cambios “cuasi-estáticos” al ser sumados a dispositivos limitantes como pistones o electrodos, con el fin de
    entregar y recibir trabajo externo.

  • Para el caso en donde únicamente PV realizan trabajo es posible en donde es el potencial químico para el i-ésimo componente en el sistema La expresión para es muy útil a y
    constantes, condiciones que son fáciles de alcanzar de manera experimental y que aproximan la condición en criaturas vivientes Afinidad química[editar] Artículo principal: Afinidad química Mientras esta formulación es matemáticamente justificable,
    no es particularmente clara desde que no se puede de manera simple remover o añadir moléculas de un sistema.

  • La energía que puede ser liberada (o absorbida) debido a una reacción entre un conjunto de sustancias químicas es igual a la diferencia entre el contenido energético en los
    productos y reactivos.

  • Tomando en cuenta la producción de entropía debido a procesos irreversibles, la desigualdad para es ahora reemplazada por una igualdad o Cualquier disminución en la función
    Gibbs de un sistema es el límite superior para cualquier trabajo isotérmico, isobárico que pueda ser capturado en los alrededores, o podría ser simplemente disipado, mostrándose como T veces un incremento correspondiente en la entropía del
    sistema y/o su entorno.

  • El cambio en la energía interna de un proceso es igual al cambio de calor si es medido bajo condiciones de volumen constante, así como en un contenedor rígido tal como una
    bomba calorimétrica.

  • Donde es la energía interna de la formación de moléculas de reactivos que puede ser calculado a partir de las energías de enlace de varios enlaces químicos de las moléculas
    bajo consideración y es la energía interna de la formación de las moléculas de producto.

  • Sin embargo, bajo condiciones de presión constante, como reacciones en recipientes abiertos a la atmósfera, el cambio de calor medido no siempre es igual al cambio de energía
    interna, ya que el trabajo presión-volumen también libera o absorbe energía.

  • Aun si las relaciones Onsager son utilizadas, los principios clásicos del equilibrio en termodinámica todavía muestran que los sistemas lineales cercanos al equilibrio siempre
    desarrollan estados de desorden que son estables ante perturbaciones y no pueden explicar la existencia de estructuras ordenadas.

  • La termodinámica del no equilibrio ha sido aplicada para explicar cómo estructuras ordenadas, por ejemplo sistemas biológicos, pueden desarrollarse a partir del desorden.

  • Termodinámica química es el estudio de la interrelación entre el calor y el trabajo con reacciones químicas o con cambios físicos del estado dentro de los confines de las
    leyes termodinámicas.

  • Ahora dejamos descansar el requerimiento de un sistema “bulto” homogéneo al permitir que los potenciales químicos y la afinidad aplicada a cada localidad en que una reacción
    química (o cualquier otro proceso) está llevándose a cabo.

  • Por supuesto pudo ser obtenido al tomar derivadas parciales de cualquier otra de las funciones fundamentales de estado, pero no obstante es un criterio general para (−T veces)
    la producción de entropía de un proceso espontáneo o al menos cualquier parte de la misma que no es tomada como trabajo externo.

  • Hace posible el estudio de problemas variados como problemas de tránsito en la ciudad, la estabilidad de comunidades de insectos, el desarrollo de estructuras biológicas ordenadas
    y el crecimiento de las células cancerosas por mencionar algunos ejemplos.

  • Si ocurre dentro de un cilindro cerrado con un pistón, la reacción equilibrada puede proceder sólo realizando trabajo en contra de una fuerza externa en el pistón.

  • A partir de estas cuatro, gran cantidad de ecuaciones relacionadas con propiedades termodinámicas del sistema termodinámico pueden ser derivadas utilizando matemáticas relativamente
    sencillas.

  • Existen sistemas complejos con muchas “reacciones” químicas ocurriendo al mismo tiempo, algunas de las cuales son sólo partes del proceso general.

  • Contrario a las claras implicaciones de varias fuentes de referencia, el análisis previo no está restringido a sistemas bulto homogéneos e isotrópicos que pueden entregar
    únicamente trabajo PdV al mundo exterior, pero aplica a los sistemas más estructurados.

  • Prigogine llamó a estos sistemas sistemas disipativos porque están formados y sostenidos por procesos disipativos que se llevan a cabo debido al intercambio de energía entre
    el sistema y su ambiente y porque desaparecen si ese intercambio se interrumpe.

  • Las expresiones mostradas anteriormente son iguales a cero en el equilibrio termodinámico, mientras que en el caso general para sistemas reales son negativos, ya que todas
    las reacciones químicas generadas en un rango finito produce entropía.

  • Esto delinea la infraestructura matemática de la termodinámica química.1 Historia En 1865, el físico alemán Rudolf Clausius en su Teoría Mecánica del Calor sugirió que los
    principios de la termoquímica, por ejemplo el calor producido en reacciones de combustión, podían ser aplicados a los principios de la termodinámica.2 Ampliando el trabajo de Clausius, entre los años 1873 y 1876 el físico-matemático americano
    Willard Gibbs publicó una serie de tres artículos, siendo el más famoso de ellos En el Equilibrio de Sustancias Heterogéneas.

  • La afirmación de que toda reacción espontánea tiene una negativa es simplemente una reafirmación de la relación termodinámica fundamental, otorgándole las dimensiones físicas
    de energía y en cierto modo oscureciendo su significado en términos de entropía.

  • En estos artículos, Gibbs mostró cómo las primeras dos leyes de la termodinámica podían ser medidas de manera gráfica y matemática para determinar tanto el equilibrio termodinámico
    de las reacciones químicas como su respectiva tendencia a ocurrir o proceder.

  • Una batería de automóvil plomo-ácido se puede recargar, conduciendo la reacción química de manera inversa.

  • La variable extensiva para la reacción puede incrementar sólo si el pistón se mueve y a la inversa, si el pistón es presionado hacia dentro entonces la reacción se lleva a
    cabo al revés.

  • A inicios del siglo XX, dos grandes publicaciones aplicaron exitosamente en procesos químicos los principios desarrollados por Gibbs y fue así como se estableció el fundamento
    para la ciencia de la termodinámica química.

  • En cualquier proceso espontáneo siempre hay un incremento de la entropía en el universo.

  • Algunas, posiblemente la mayoría, de las reacciones con energía libre de Gibbs pueden distribuirse como trabajo externo.

  • La corriente puede ser disipada como calor en joules o puede utilizarse como un dispositivo eléctrico, por ejemplo motor realizando trabajo mecánico.

  • Incluso para materiales “bulto” homogéneos las funciones de energía libre dependen de la composición, así como potenciales termodinámicos extensivos, incluyendo la energía
    interna.

  • Siempre hay un proceso involucrado en cambiar la composición; por ejemplo, una (o varias) reacciones químicas o movimiento de moléculas de una fase (líquida) a otra (gas o
    sólida).

  • La formación de soluciones Las siguientes funciones de estado son la principal preocupación en la termodinámica química: • Energía interna () • Entalpía () • Entropía () •
    Energía libre de Gibbs () Muchas identidades en la termodinámica química surgen de la aplicación de la primera y segunda leyes de la termodinámica, particularmente la ley de la conservación de energía a estas funciones de estado.

  • Usualmente hay un coeficiente de emparejamiento, el cual depende de índices relativos y que determina el porcentaje de la energía libre manejada convertida en trabajo externo
    o capturada como “trabajo químico”; un nombre poco apropiado para la energía libre de otro proceso químico.

  • Si las cantidades { Ni }, el número de especies químicas son omitidos de la fórmula, es imposible describir cambios en la composición.

  • La termodinámica química involucra no sólo mediciones de varias propiedades termodinámicas en el laboratorio, sino también la aplicación de métodos matemáticos al estudio
    de preguntas químicas y a las reacciones de los procesos.

 

Works Cited

[‘Ott, Bevan J.; Boerio-Goates, Juliana (2000). Chemical Thermodynamics – Principles and Applications. Academic Press. ISBN 0-12-530990-2.
2. ↑ Clausius, R. (1865). The Mechanical Theory of Heat – with its Applications to the Steam Engine and to Physical
Properties of Bodies. London: John van Voorst, 1 Paternoster Row. MDCCCLXVII.
3. ↑ Klotz, I. (1950). Chemical Thermodynamics. New York: Prentice-Hall, Inc.
Photo credit: https://www.flickr.com/photos/8058853@N06/14381787252/’]