Entalpía: reacciones exotérmicas y endotérmicas
La entalpía (H) es una función de estado que incluye tanto la energía interna (la energía asociada con la energía potencial y cinética de todas las moléculas) como el trabajo realizado por o sobre el sistema. El cambio de entalpía, denotado como ΔH, es una cantidad termodinámica que mide la energía térmica intercambiada durante un proceso químico o físico a presión constante. Representa la diferencia en entalpía entre los reactivos y productos involucrados en una reacción. Podemos obtener que el calor liberado por el sistema es igual al cambio de entalpía del sistema en el caso de presión constante.
ΔU = ΔQ + ΔW = ΔQ - PΔV ⇒ ΔU + PΔV = ΔQ ⇒ ΔH = ΔQ
U es la energía del sistema, Q es el calor liberado externamente, W es el trabajo realizado por el sistema externamente, y H = U + PV es la entalpía del sistema.
Clasificamos las reacciones químicas como reacciones exotérmicas y endotérmicas según el cambio de entalpía.
En una reacción exotérmica, el cambio general de entalpía (ΔH) es negativo, lo que indica que la reacción libera energía térmica al entorno. Esta energía se observa a menudo como un aumento de la temperatura o como la generación de luz o calor. La quema de combustibles como la gasolina o la madera son ejemplos clásicos de reacciones exotérmicas.
Las reacciones endotérmicas tienen un cambio de entalpía positivo (ΔH), lo que indica que la reacción absorbe energía térmica del entorno. La disolución del nitrato de amonio en agua es un ejemplo típico de reacción de absorción de calor. En tiempos antiguos, se utilizaba para hacer bebidas frías en verano.
Entropía: desorden o aleatoriedad de un sistema
La entropía es un concepto fundamental en termodinámica que mide el grado de desorden o aleatoriedad en un sistema. Un sistema con alta entropía tiene muchas configuraciones posibles y es más desordenado, mientras que un sistema con baja entropía tiene pocas configuraciones posibles y es menos desordenado.
En la mayoría de los casos, los sistemas tienden a cambiar espontáneamente hacia un estado más desordenado. Por ejemplo, cuando dos metales diferentes están en contacto cercano durante mucho tiempo, difundirán entre sí en su interfaz, lo que lleva a un aumento del desorden. Sin embargo, existen casos en los que se produce una transición hacia un estado menos desordenado. Por ejemplo, el agua se congela por debajo de 0°C. Su entropía disminuye, pero esto se hace a expensas de liberar calor al entorno.
La energía libre de Gibbs determina si un proceso es espontáneo
Aunque ya conocemos los conceptos de entalpía y entropía, todavía no es posible determinar si un proceso ocurrirá espontáneamente o no. En general, las reacciones que liberan calor y se vuelven caóticas o desordenadas ocurrirán espontáneamente. Sin embargo, existen algunas excepciones, como las reacciones de absorción de calor mencionadas anteriormente y el proceso físico de condensar vapor en agua (la entropía disminuye).
Para considerar tanto la entalpía como la entropía al mismo tiempo, introducimos un concepto llamado energía libre de Gibbs (también conocida como función de Gibbs, energía de Gibbs). Recibe su nombre del físico estadounidense Josiah Willard Gibbs, quien desarrolló el concepto.
La energía libre de Gibbs está relacionada con la entalpía (H) y la entropía (S) de un sistema a través de la ecuación:
ΔG = ΔH - TΔS
donde ΔG es el cambio en la energía libre de Gibbs, ΔH es el cambio en entalpía, T es la temperatura en Kelvin y ΔS es el cambio en entropía.
ΔG < 0: El proceso es espontáneo. El sistema libera energía y la reacción es exergónica.
ΔG > 0: El proceso no es espontáneo. El sistema requiere una entrada de energía y la reacción es endergónica.
ΔG = 0: El sistema está en equilibrio. El cambio en la energía libre es cero, lo que indica que no hay transferencia neta de energía.
Si ΔH < 0, ΔS > 0, el proceso es espontáneo. Si ΔH > 0, ΔS < 0, el proceso no es espontáneo. Si ΔH > 0, ΔS > 0 o ΔH < 0, ΔS < 0, si una reacción química es espontánea o no lo es, se determina por la temperatura. Cuando la temperatura es baja, la entalpía es la consideración principal. Cuando la temperatura es alta, la entropía se convierte en la consideración principal.