Conceptos básicos de termodinámica

Conceptos básicos de termodinámica

Físico-química: Rama de la ciencia que estudia y desarrolla los principios que gobiernan las propiedades y el comportamiento de los sistemas químicos. Se divide en 4 áreas; Termodinámica, Química Cuantica, Mécanica estadística y Cinética.

Materia: Todo aquello que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio.

Reacciones redox: Los elementos que forman las sustancias involucradas cambian su estado de oxidación. Una especie se reduce a expensas de otra que se oxida.

1 mol = 6.022045x10 a la 23, Núm de Avogadro

Termodinámica: "Ciencia que nos ayuda a estudiar la transformación energética"

Ciencia que describe y relaciona las propiedades físicas de la materia y sus intercambios de energía. Estudia los procesos donde hay transferencia de enrgía en forma de calor y trabajo.

Bioenérgetica: "Forma en que los organismos adquieren, canalizan y utilizan la energía".

Calor (Q): Energía cinética total de todos los átomos o moléculas de una sustancia. Unida de medida: Joules o calorías.

1 cal = 4.186 J

Capacidad caloríca: Se define como la cantidad de calor que se requiere para elevar la temperatura de una sustancia 1 grado centigrado. 

Energía: Capacidad de producir cambio y se mide por la cantidad de trabajo realizado durante este periodo de cambio. Se mide en Joules o calorías.

- Energía Potencial: Indica la cantidad de trabajo que se puede realizar al liberar la energía que se encuentra almacenada en un lugar.

- Energía de Combustión: Energía contenida en los enlaces de carbono de los combustibles, y que resulta liberada en el proceso de combustión (oxidación).Un combustible es cualquier material capaz de liberar energía cuando se quema, lo que transformará su estructura química.

- Energía química: Se obtiene como resultado de la ruptura de los enlaces que mantienen unidos los átomos que conforman una molécula de determinada sustancia. Se origina mediante la reacción de compuestos químicos.

- Energía cinética: Asociada a los cuerpos en movimiento.

Sistemas biológicos

• Sistema: Parte del universo que elegimos para el estudio. Toda parte del universo que se delimita mentalmente, es decir, la porción de materia cuyas propiedades se estudian. P.e; La célula.
• Ambiente: Todo lo que rodea al sistema constituye el ambiente o entorno. Todo lo que no pertenece al sistema, sus alrededores.
• Universo: Conjunto formado por sistema y entorno. 

En una reacción química, las sustancias que intervienen constituyen el sistema termodinámico, que evoluciona desde un estado inicial (reactivos) a uno final (productos). El entorno será el medio donde tenga lugar la reacción. El universo será el conjunto de los reactivos y productos presentes en una solución y la atmósfera circundante.

Según su relación con el entorno, pueden ser:

• Aislados: No intercambian materia ni energía con el entorno y no produce efectos observables sobre el exterior. P.e. Sólo en practicas de laboratorio.
• Cerrado: Intercambian energía pero no materia con el entorno. P.e. Un chocolate que se derrite.
• Abierto: Intercambia energía y materia. P.e. La célula.

Energía interna: Función del estado de un sistema (momento en que la reacción se estructura y realiza intercambio de energía.

Estado termodinámico: Se define mediante la indicación de las cantidades de todas las sustancias presentes y 2 cualesquiera de las 3 variables siguientes; Temperatura (T), Presión sobre el sistema (P) y el volumen del sistema (V).

Fenómenos que incluyen la energía interna de un sistema

1. La energía de movimiento de los átomos y moléculas
2. Su energía de vibración y rotación
3. La energía almacenada en los enlaces químicos
4. La energía almacenada en interacciones no covalentes
5. Todo tipo de energía

Formas de intercambio de energía

- Designamos el calor mediante el símbolo "q".

+ q = El sistema absorbe calor

- q = El sistema libera calor

- Designamos el trabajo con el símbolo "w".

+ w = El sistema realiza trabajo sobre sus alrededores

- w = Los alrededores realizan trabajo sobre el sistema

Entropía y entalpía

• Entropía: Medida del grado de aleatoriedad/desorden de un sistema. Forma de medir el caos.

• Entalpía: Contenido de calor interno del sistema reaccionante a presión constante. Relacionada con la energía interna. Calor que se desarrollo en una reacción a presión constante es igual a la entalpía. △ H = △ E (Entalpía es igual a energía interna)

△ H negativa = La reacción desprende calor = Exotérmico

△  H positiva = La reacción absorbe calor del entorno = Endotérmico

1era Ley de la Termodinámica "La energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma"

La energía de un sistema sólo puede modificarse mediante intercambio de calor o trabajo con el entorno, por lo que el cambio de energía interna viene dado por:

△ E = q - w 

w = P (presión) △(suma)  V (volumen)

E = q - (P△ V)

2da Ley de la termodinámica "El universo tiende siempre a alcanzar un mayor grado de libertad. En todos los procesos naturales la entropía del universo (sistema + entorno) aumenta".

La entropía de un sistema aislado tenderá a aumentar hacia un valor máximo.

Energía libre de Gibbs

• Definida como △ G = - △ S universo
• Se ocupa sólo de las variaciones del sistema, sin necesidad de medir el entorno.
• Permite predecir la dirección de las reacciones químicas, posición exacta en el equilibrio y cantidad de trabajo que pueden llevar a cabo a temperatura y presión constantes.
• En todos los procesos espontáneos la energía libre del sistema disminuye, el valor final de G es menor que el inicial y por tanto, △ G es negativa y se dice que la reacción es exergónica. Cuando la variación de energía libre es positiva, entonces será endergónica.
• "La energía libre es la energía necesaria para producir trabajo a T (temperatura) y P (presión) constantes".

Endergonica