Leyes Termodinámicas en Química

Las leyes de la termodinámica, aplicadas a los sistemas químicos, establecen cómo se conserva la energía en las reacciones, por qué algunas reacciones proceden espontáneamente y cómo las entropías se aproximan a un límite definido en el cero absoluto.

Definition

Las leyes termodinámicas en química son la primera, segunda y tercera leyes de la termodinámica especializadas en el cambio químico, que rigen la energética de las reacciones, la dirección de las reacciones espontáneas y las entropías absolutas de las sustancias.

Scope

Este tema cubre la aplicación química de las cuatro leyes: la ley cero y la temperatura; la primera ley expresada a través de la energía interna, la entalpía y los calores de reacción; la segunda ley expresada a través de la entropía y la desigualdad de Clausius como criterio de espontaneidad; y la tercera ley, que asigna entropías absolutas y subyace al cálculo de las constantes de equilibrio a partir de datos calorimétricos. El tratamiento detallado de los criterios de energía libre, el potencial químico y el equilibrio se desarrolla en temas relacionados.

Core questions

• ¿Cómo relaciona la primera ley el calor de reacción a volumen constante con el de presión constante a través de la energía interna y la entalpía?
• ¿Por qué la entropía de un sistema aislado no disminuye y cómo define esto la espontaneidad?
• ¿Cómo permite la tercera ley tabular las entropías absolutas y utilizarlas en cálculos químicos?
• ¿Cómo se distinguen las funciones de estado de las cantidades dependientes de la trayectoria, como el calor y el trabajo?

Key concepts

• Energía interna y entalpía de reacción
• Entropía y la desigualdad de Clausius
• Procesos reversibles e irreversibles
• Entropía absoluta y la tercera ley
• Funciones de estado versus funciones de trayectoria

Key theories

Primera ley para sistemas químicos

El cambio en la energía interna de un sistema reaccionante es igual al calor absorbido menos el trabajo realizado; a presión constante, esto se captura mediante la entalpía, lo que convierte la entalpía de reacción en una función de estado medible e independiente de la trayectoria.

Segunda y tercera leyes como criterios y referencia

La segunda ley establece la producción de entropía como el criterio universal para el cambio químico espontáneo, mientras que la tercera ley fija la entropía de un cristal perfecto en cero en el cero absoluto, proporcionando entropías absolutas para los cálculos de reacción.

Clinical relevance

Estas leyes proporcionan la contabilidad de toda la energética química, desde el calor liberado por la combustión y la viabilidad de las síntesis industriales hasta los procesos impulsados por la entropía de disolución, mezcla y autoensamblaje biológico.

History

El uso químico de la termodinámica surgió de la ley de Hess de 1840 sobre la suma constante de calores y la formulación a mediados del siglo XIX de la primera y segunda leyes por Clausius y Kelvin; el teorema del calor de Nernst de 1906, base de la tercera ley, completó el marco al hacer accesibles las entropías absolutas.

Key figures

• Rudolf Clausius
• Walther Nernst
• Germain Henri Hess

Seminal works

• atkins2018
• mcquarrie1997

Frequently asked questions

¿Por qué los químicos suelen trabajar con la entalpía en lugar de la energía interna?

La mayoría de las reacciones se realizan a presión atmosférica constante en lugar de a volumen constante, y a presión constante el calor intercambiado es igual al cambio de entalpía, por lo que la entalpía es la función de energía directamente medible y más conveniente para la química.

¿Puede disminuir la entropía de un sistema químico?

Sí, localmente. Un sistema puede perder entropía, como cuando un gas se condensa o un sólido cristaliza, siempre que la entropía del entorno aumente al menos en la misma medida para que la entropía total del sistema más el entorno no disminuya.