Comportamiento de un sistema.

La energía puede interaccionar con un sistema en función del tipo de barrera que lo separa de su entorno y del tipo de transferencia que suceda, así como los principios que condicionan esta interacción, que están sintetizados en las leyes de la termodinámica.

La primera ley explica que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma.

El conocimiento acerca de los sistemas nos ayuda no solo a describirlos, sino a predecir su comportamiento si se conocen sus condiciones iniciales, así como la energía y materia que interaccionan con ellos. La ecuación que permite apreciar este comportamiento es:

∆U = Q - W

Ejemplo 1.

Un motor de combustión interna. Es un sistema abierto debido a que intercambia materia (aire y combustible), así como energía (calor y trabajo) con su entorno cuando se encuentra en funcionamiento.

Si analizáramos el consumo de energía en el sistema con base en la ecuación anterior, tendríamos que:

• Q es el calor generado por el combustible durante la combustión.
• W es el trabajo hecho por los pistones en el motor al hacer combustión el combustible.
• ∆U es el cambio en la energía interna, que siempre es positivo, pues aumenta la temperatura del motor.

Ejemplo 2.

Tomemos un teléfono celular, está delimitado por su carcasa habitualmente de policarbonato, puede clasificarse como un sistema cerrado, pues impide el intercambio de materia (si es resistente al agua) pero no el de energía, debido a que debe "cargarse" de energía potencial eléctrica cuando se agota, para poder continuar funcionando (hacer trabajo eléctrico). Al mismo tiempo, los procesos incrementan su energía interna, la cual logra disiparse hacia el ambiente, para evitar que aumente su temperatura.

Si se analiza el consumo de energía en el sistema con base a la primera ley de la termodinámica tendríamos:

• Q es la energía térmica del teléfono generada por el funcionamiento de sus componentes internos.
• W es el trabajo eléctrico convertido en trabajo mecánico (vibración) y en luz.
• ∆U es el cambio en la energía total del sistema que originalmente estaba almacenada como energía potencial eléctrica en la batería de litio.

Procesos termodinámicos.

Para comprender la forma en que un sistema interactúa con el entorno, es necesario graficar los cambios originados a partir de la alteración de alguna de sus variables físicas: volumen, presión o temperatura. En un proceso termodinámico se considera constante sólo una de estas magnitudes. Se hace esta consideración para establecer un análisis con las otras dos variables.

Proceso isotérmico.

En los procesos isotérmicos, la temperatura permanece constante. El intercambio de calor con el sistema es igual al trabajo realizado: 

Q = W

La energía interna del sistema permanece constante, aplicando la primera ley de la termodinámica se expresa:

∆U = 0

En la gráfica (P-V), la curva que va del punto A al punto B se llama isoterma, ya que cualquier punto (volumen, presión) sobre ella tiene la misma temperatura. El trabajo que realiza el sistema, al ir en este caso del punto A al punto B, es equivalente al área bajo la curva. Para un proceso isotérmico que involucre gases, podemos utilizar la ley de Boyle.

Ejemplo. 

Un gas que tiene un volumen de 4x10^-3 m³ a una presión de 1x10⁶ N/m² se expande a temperatura constante. Si el volumen al final es de 3x10^-2 m³ determina:

a) La presión final del sistema.

b) El trabajo efectuado por dicho gas.

Como se trata de un proceso isotérmico debido a que la temperatura permanece constante, podemos aplicar la ley de Boyle para el cálculo de la presión final.

Despejando P₁ de la ecuación de Boyle y sustituyendo los valores correspondientes:

Como se esperaba, la presión es menor.

El trabajo realizado en el proceso isotérmico se calcula:

El trabajo es positivo, lo que significa que el sistema realizó trabajo sobre el entorno. Por ser un proceso isotérmico, esta cifra también indica el calor agregado, que es exactamente igual al trabajo realizado por el sistema. 

Proceso isocórico.

Al proceso isocórico también se le llama proceso isométrico o isovolumétrico. En estos procesos, el volumen permanece constante y el sistema no realiza trabajo (W=0), por tanto, el calor agregado es igual al cambio de energía interna. La primer ley de la termodinámica queda: 

∆U = Q

En la gráfica (P-V), la línea que va del punto A al punto B se llama isócora, ya que cualquier punto sobre ella, el volumen es el mismo. En los procesos isocóricos que involucran gases se puede utilizar la ley de Gay-Lussac.

Ejemplo. 

Cierto volumen de nitrógeno en un tanque cerrado a 0°C de temperatura, tiene una masa de 20 g y está sometido a una presión de  1x10⁵ Pa. Si se le agrega calor hasta alcanzar 60°C 8el calor específico del nitrógeno es 0.250 cal/g°C) y durante el proceso el volumen del gas se mantiene constante, determina:

a) La presión final del gas confinado.

b) El cambio de energía interna.

En los procesos termodinámicos, la temperatura es la temperatura absoluta y, por tanto, debe expresarse siempre en unidades kelvin Por esta razón, hacemos la conversión de unidades termométricas:

Despejando la presión final de la ley de Gay-Lussac y sustituyendo valores, obtenemos:

El trabajo en un proceso a volumen constante, como en este caso, es cero. El cambio de la energía interna es igual al calor agregado.

∆U = Q

Calculando el calor:

Q = m C (T_f - T₀)

Convirtiendo las calorías a joules:

 El cambio de la energía interna:

∆U=1255.8J 

 

Proceso isobárico.

En los procesos isobáricos la presión permanece constante. Al agregar calor al sistema, comenzará a variar su volumen de manera proporcional, produciendo trabajo mecánico.

En la gráfica (P-V), se observa que el sistema realiza trabajo, al mantenerse la presión constante, se modifica la temperatura. La línea del punto A al punto B se llama isobara, ya que cualquier punto sobre esta tiene la misma presión. En estos procesos se puede utilizar la expresión para el trabajo en función del cambio de volumen y la ley de Charles, cuando se trata de gases.

Ejemplo. 

Un cubo de aluminio de 22°C mide 0.03 m en cada arista y se calienta hasta que alcanza una temperatura de 400°C. Si la masa del cubo es de 72.9 g y la presión atmosférica es de 1.013x10⁵ Pa, determina:

a) El trabajo que realiza el cubo en el momento en que se dilata.

b) El cambio de energía interna.

El cubo está sometido a la presión atmosférica que es constante, por tanto, se trata de un proceso isobárico.

Para obtener el volumen final del cubo se calcula el volumen inicial:

Se recurre a la expresión de la dilatación volumétrica:

El coeficiente de dilatación lineal del aluminio es:

Sustituyendo:

Utilizando la expresión para el trabajo, en función del cambio de volumen:

 

Para determinar el cambio de energía interna, utilizamos la primera ley de la termodinámica:

∆U = Q - W

Podemos calcular el calor agregado al sistema con la expresión:

Q = m C (T_f - T₀)

El calor específico del aluminio es de 0.215 cal/g°C, sustituyendo los valores:

 Convirtiendo las calorías a joules:

El cambio de la energía interna:

∆U=Q-W=24800.3J-0.07J=24800.23J 

Proceso adiabático.

En los procesos adiabáticos no hay intercambio de calor entre el sistema y el entorno. El sistema está rodeado por una pared aislante. Como resultado, el calor cedido o absorbido es cero:

Q = 0

La primera ley de la termodinámica queda:

∆U = -W

Las curvas del punto A al punto B se denominan adiabatas. En este proceso, ni la temperatura ni la presión ni el volumen, son constantes.

Si el entorno realiza trabajo sobre el sistema, el trabajo es negativo, en consecuencia, aumenta la energía interna del sistema y por tanto, su temperatura debido a que no puede transferir energía a su entorno.

Si el sistema realiza trabajo sobre el entorno, lo hace a expensas de su energía interna, por tanto, su temperatura disminuye. El trabajo es positivo.

La expresión matemática de la primera ley de la termodinámica queda:

-∆U = W

El signo negativo de la energía interna indica que ésta disminuye y el sistema disminuye su temperatura cuando el gas se expande.

 Fenómenos y aplicaciones de la energía.

Fenómenos naturales donde interviene la energía.

Los fenómenos naturales son eventos que ocurren en la naturaleza sin la intervención humana, muchos dependen de la energía como:

Terremotos y energía sísmica.

En un terremoto se produce la liberación repentina de energía acumulada en la corteza terrestre. La fricción entre las placas tectónicas genera cierta tensión, y cuando supera la resistencia de las rocas, produce una ruptura a lo largo de una falla. La energía elástica almacenada en las rocas se libera bruscamente en forma de ondas sísmicas, que son una forma de energía cinética que viaja a través del suelo. La cantidad de energía liberada está directamente relacionada con la magnitud del terremoto, una parte de la energía que se libera en el terremoto, lo hace en forma de ondas sísmicas, otra parte en forma de calor por la fricción entre las placas, otra en forma de deslizamientos de la tierra y en algunos casos en forma de sonido o vibraciones audibles.

México se localiza en un cinturón de gran actividad sísmica, a diario se producen movimientos tectónicos aunque no siempre su magnitud es perceptible debido a que nuestro país se encuentra sobre cinco placas tectónicas: En la placa Norteamericana se encuentra la mayor parte del país al igual que parte del océano Atlántico y parte de Asia. En la placa del Pacífico se encuentra la península de Baja California, el estado de California y gran parte del océano Pacífico. En la placa del Caribe se encuentra el sur de Chiapas, gran parte de las Islas Caribeñas y los países de Centro América. Las placas de Cocos y Rivera conforman el rompecabezas tectónico de México, son oceánicas y se encuentran bajo el Océano Pacífico.

 Rayos y energía eléctrica.

Un rayo es una descarga eléctrica masiva atmosférica formada por la acumulación de cargas eléctricas opuestas dentro de las nubes o entre una nube y el suelo. Las gotas de agua y los cristales de hielo en las nubes chocan, dándose una separación de cargas, la diferencia de potencial eléctrico se vuelve tan grande que el aire (normalmente aislante), se vuelve conductor y permite que las cargas se neutralicen en una descarga, liberando gran cantidad de energía eléctrica que se manifiesta en forma de luz, calor y sonido (trueno). Un solo rayo puede tener hasta un billón de julios de energía, equivalente a 300 kilovatios-hora aproximadamente, esta energía es suficiente para abastecer un hogar promedio por un mes. Se estima que 1400 millones de rayos impactan la Tierra cada año, siendo un potencial masivo de energía.

Fotosíntesis.

Proceso mediante el cual las plantas, algas y algunas bacterias convierten la energía luminosa del sol en energía química. La energía se capta a través de la clorofila que absorbe la luz solar, la cual rompe las moléculas de agua y del dióxido de carbono, los átomos resultantes se reorganizan para formar glucosa (un tipo de azúcar) que almacena la energía en sus enlaces químicos. La planta utiliza la glucosa como combustible para realizar sus procesos vitales.

Ciclo del agua.

El ciclo del agua, implica una transferencia y uso de la energía térmica. El agua es impulsada por diferentes tipos de energía que se transforma y se transfiere a lo largo de sus fases, siendo el sol la principal fuente de energía, la radiación solar calienta el agua de los océanos, ríos y lagos, iniciando la evaporación. Cuando el agua se ha evaporado y está en la atmósfera, la energía potencial gravitatoria y la energía cinética, a través de la condensación, precipitación y escorrentía, forman las gotas de agua en las nubes y se vuelven tan pesadas que caen.

Erupciones volcánicas.

Son la manifestación de la energía del interior de la Tierra. El magma tiene gran cantidad de energía térmica y potencial debido a la alta presión y temperatura en el manto terrestre. Cuando el magma asciende a la superficie, la energía se libera de forma explosiva convirtiéndola en energía cinética conforme la lava, rocas y gases se expulsan. La energía geotérmica del calor interno es fundamental para la producción de energía renovable, siendo una alternativa sostenible a los combustiones fósiles, se puede aprovechar para generar electricidad. Una erupción libera energía en forma de flujos de lava, cenizas, explosiones, vibraciones y calor (energía térmica).

Huracanes.

 

Se forman sobre aguas oceánicas cálidas, el calor del agua es absorbida por el aire elevándose y enfriándose para liberar grandes cantidades de energía térmica, que alimenta la energía cinética, la cual, mueve los vientos ciclónicos y lluvias torrenciales. La magnitud de la energía liberada puede ser comparable a la de miles de bombas atómicas.

Tornados.

Los tornados se alimentan de la inestabilidad atmosférica, el calor latente liberado por el vapor de agua al condensarse y los cambios en la velocidad/dirección del viento. 

Su formación depende de la energía, a partir de tormentas eléctricas severas donde las corrientes de aire cálido y húmedo se elevan rápidamente, mientras que el aire frio desciende, esta diferencia en la temperatura y la velocidad del aire crea una rotación que se intensifica en un embudo, concentrando una cantidad muy grande de energía cinética en un área muy pequeña.

Tsunamis.

Conocidos como maremotos, son olas gigantes con una gran cantidad de energía originados por terremotos submarinos. Un sismo repentino en el lecho oceánico libera energía sísmica, que es una forma de energía potencial acumulada en las placas tectónicas, que empuja el agua hacia arriba, creando ondas que viajan a través del océano. La energía potencial de la ola se convierte en energía cinética masiva que causa altura y fuerza destructiva de la ola.

Aplicaciones tecnológicas de la energía.

La energía se ha utilizado para satisfacer necesidades primarias, secundarias, individuales y colectivas, lo cual, ha permitido mejorar la calidad de vida e igual, algunos tipos de energía se han sobre explotado de forma irresponsable con consecuencias negativas a la humanidad y al planeta.

Algunas aplicaciones tecnológicas de la energía están en la generación, almacenamiento y distribución de la energía a partir de distintas fuentes (solar, eólica, hidroeléctrica, geotérmica, nuclear y biomasa):

• Paneles solares con células fotovoltaicos para la generación de electricidad.
• Turbinas eólicas para generar electricidad.
• Calentadores solares de agua para uso doméstico.
• Parques eólicos para suministro de electricidad a comunidades.
• Centrales hidroeléctricas para la generación de electricidad.
• Domótica (contactos inteligentes, sistemas de monitoreo de energía y control automatizado de persianas).
• Plantas geotérmicas para la generación de electricidad.
• Bombas de calor geotérmico para la calefacción de edificios.
• Estaciones de aprovechamiento directo de calor geotérmico para procesos industriales.
• Centrales nucleares para la generación de electricidad.
• Reactores nucleares para la producción de radioisótopos utilizados en medicina y agricultura.
• Submarinos nucleares para la propulsión y suministro de energía en alta mar.
• Plantas de biomasa para la generación de electricidad a partir de residuos orgánicos.
• Calderas de biomasa para la calefacción y producción de agua caliente en viviendas.
• Biogas para la producción de energía en granjas y plantas de tratamiento de residuos.
• Uso en el sistema de transporte, incluyendo la generación de baterías para vehículos eléctricos.
• Uso de dispositivos electrónicos en las comunicaciones.
• Vehículos eléctricos.
• Redes inteligentes para optimizar la distribución eléctrica.
• Fotónica médica (uso de radiación para rayos X, tomografías computarizadas y radioterapia).

Las aplicaciones proporcionan beneficios ambientales, económicos y sociales al reducir la dependencia de combustibles fósiles, disminuir emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), preservar los recursos naturales  y la biodiversidad, minimizar la contaminación de tierra, agua y aire, generar empleos y promover la diversificación y autonomía energética.

Algunos retos que enfrentan las aplicaciones tecnológicas son los altos costos de implementación y mantenimiento, su disponibilidad es un punto a considerar debido a que en algunas áreas no se dispone de suficiente radiación solar, viento, agua o calor geotérmico, o bien pueden llegar a afectar ecosistemas y generar residuos tóxicos, como la energía nuclear.

Tercera ley de la termodinámica.

A medida que la temperatura de un sistema se aproxima al cero absoluto (0 K), su entropía tiende a un mínimo constante, es decir, sus moléculas dejan de moverse, logrando un orden perfecto, por tanto, la entropía se considera cero.

De acuerdo a esta ley, el valor de la entropía es cero en un sólido cristalino perfecto en el cero absoluto (0 K), la entropía es mínima y constante:

Aplicaciones:

Esta ley es el concepto termodinámico que estudia las propiedades de los sistemas a temperatura cero absoluta.

• Investigación de nuevos materiales. Prescribe a los investigadores como sintetizarlos, como a los catalizadores o superconductores.
• Procesos industriales. Los ingenieros utilizan la entropía para mejorar la eficiencia de sus sistemas y los costos de producción.
• Almacenamiento y conservación criogénica. Al acercarse al cero absoluto, los materiales exhiben propiedades como la superconductividad, donde la resistencia eléctrica desaparece por completo. Esto ayuda en la investigación médica, trasplantes de órganos, tecnologías de reproducción asistida, almacenamiento criogénico (células madre, óvulos, embriones y tejidos) así como en futuros tratamientos de fertilidad e investigación genética.
• Superconductividad. A medida que la entropía se acerca a cero, la presenta la superconductividad, las corrientes persistentes pueden mantenerse sin pérdida de energía y utilizarse en levitación magnética, máquinas de resonancia magnética y aceleradores de partículas.
• Computación cuántica. Esta pueden procesar el problema a temperaturas muy bajas donde la coherencia cuántica se mantiene y es necesaria para los cálculos cuánticos, se garantiza que las plataformas cuánticas operen a baja temperatura minimizando fluctuaciones térmicas.
• Astrofísica y cosmología. Permite comprender la evolución del universo y los cuerpos celestes. Al medir las entropías de las estrellas, los agujeros negros y la estructura del universo, los científicos obtiene conocimiento para comprender aspectos como el nacimiento de las estrellas, la interacción de las galaxias  y el fin de todo.
• Ciencia de los materiales y nanotecnología. Esta ley define el estudio de los materiales al observarlos a escala atómica y molecular, al acercarse al cero absoluto presentan fenómenos como la superfluidez, la condensación de Bose-Einstein y el túnel cuántico. Con esto se tiene oportunidad de crear electrónica, sensores y dispositivos cuánticos de próxima generación.
• Gestión térmica en electrónica. Derivado de la gestión térmica para la correcta disipación del calor de los microprocesadores y componentes digitales, garantizando que los productos funcionen a la temperatura deseada aumentando su vida útil y mejorando su fiabilidad. Este es un proceso vital para la informática de alto rendimiento, telecomunicaciones y dispositivos de consumo.
• Monitoreo ambiental y ciencia del clima. Implica la cuantificación de los cambios en la entropía en sistemas naturales como océanos y ecosistemas, permitiendo visualizar patrones climáticos, evaluar el efecto de la actividad humana en los ecosistemas y determinar estrategias para abordar los problemas del cambio climático.

 Segunda ley de la termodinámica.

En un sistema aislado, la entropía, que es una medida del desorden o la aleatoriedad, nunca disminuye. Es decir, los sistemas tienden naturalmente hacia un estado de mayor desorden y aleatoriedad. 

Implica que la mayoría de los procesos naturales son irreversibles, por ejemplo, si se mezcla un líquido caliente con uno frío, en algún momento alcanzarán la misma temperatura, y la entropía del sistema aumentará. 

Los sistemas tienden hacia un estado máximo de desorden (una alta entropía), como por ejemplo, el derretimiento de un cubo de hielo es espontáneo e irreversible ya que, el proceso contrario no puede suceder sin la intervención de la energía.

La transformación de trabajo en calor es siempre posible, de forma inversa, es posible solo si se respetan algunas condiciones establecidas en la segunda ley de la termodinámica:

1. Formulación de Clausius. El calor no puede fluir espontáneamente de un cuerpo más frío a uno más caliente: un cubo de hielo se derrite en una bebida caliente, pero el calor del hielo no pasa a la bebida para calentarla aún más.
2. Formulación de Kelvin-Planck. Es imposible construir un dispositivo que, operando en un ciclo, convierta completamente el calor absorbido en trabajo: cualquier máquina térmica real (como un motor de combustión interna) siempre tendrá menos del 100% de eficiencia.

Aplicaciones:

• Calefacción y refrigeración. Dependen del flujo de calor, el trabajo se usa para transferir calor desde una zona más fría o caliente, procesos irreversibles, por lo que para enfriar un espacio se requiere energía que supere el oren que se genera al extraer el calor.
• Procesos biológicos. Los procesos metabólicos aumentan la entropía del entorno al convertir la energía de los alimentos en energía útil y al mismo tiempo se libera calor y desechos, lo que contribuye con el aumento de la entropía del universo.

Esta ley también establece que es imposible construir una máquina que funcionando de forma continua, transforme en trabajo todo el calor que se le suministra, por tanto, la eficiencia de las máquinas nunca será del 100% debido a que la mayor parte del calor proporcionado en lugar de convertirse en trabajo mecánico, se disipa en la atmósfera. 

La eficiencia de la máquina térmica se da en relación al trabajo mecánico producido y la cantidad de calor que se le suministra:

W = Trabajo mecánico en calorías (cal) o Joules (J).

Q =  Calor suministrado a la máquina por el combustible en cal o J.

In = Eficiencia de la máquina térmica.

También se puede expresar:

Q₁= Calor suministrado en cal o J.

Q₂ = Calor obtenido en cal o J.

T₁ = Temperatura de la fuente caliente.

T₂ = Temperatura de la fuente fría.

Pérdidas de calor.

Se refieren a la transferencia no deseada de energía térmica desde un sistema hacia su entorno. Una vez que la energía se ha disipado como calor hacia los alrededores del sistema, no puede transformarse en otra forma de energía útil, por eso se le llama pérdida de calor.

Se manifiestan mediante tres procesos:

1. CONDUCCIÓN. Implica la transferencia directa a través de un material.
2. CONVECCIÓN. Ocurre a través de un fluido como el aire.
3. RADIACIÓN. Consiste en la emisión de energía térmica en forma de ondas electromagnéticas.

Las pérdidas de calor pueden ocurrir en cualquier situación donde existe una diferencia de temperatura, ya sea entre dos sistemas o entre un sistema y sus alrededores y el control de esta pérdida de calor es fundamental para mejorar la eficiencia energética y reducir el consumo innecesario de recursos. La comprensión y gestión adecuada de las perdidas de calor son esenciales en:

a) Edificación y construcción. Para mejorar la eficiencia energética en viviendas y edificios comerciales; para un aislamiento adecuado; reducción de costos de calefacción; para evitar condensación, moho y daños estructurales causados por puentes térmicos.

b) Procesos industriales. Para garantizar un uso óptimo de la energía, reducir el consumo de combustible y mejorar la seguridad. Indispensable en industrias de acero, cerámica, procesamiento de alimentos y productos químicos en hornos, calderas y sistemas de fabricación.

c) Ingeniería térmica y diseño mecánico. Esencial para la eficiencia, rendimiento y confiabilidad. Usado en los sectores automotriz, aeroespacial y generación de energía como en motores, turbinas, sistemas de refrigeración y dispositivos de transferencia de calor.

d) Refrigeración y aire acondicionado. Para mantener las temperaturas deseadas y prevenir la perdida innecesaria de energía. Es importante para sistemas de almacenamiento en frío, refrigeración de transporte, etc.

e) Sistemas energéticos y tecnologías renovables. Para aumentar la eficiencia general del sistema como en colectores solares, sistemas geotérmicos y bombas de calor.

f) Electrónica e informática. Garantiza la longevidad del dispositivo y un rendimiento estable previniendo el sobrecalentamiento de componentes sensibles.

g) Ingeniería química y de procesos. Para mantener la estabilidad de la temperatura que impacta la calidad y seguridad del producto como en recipientes de reacción, tuberías y columnas de destilación.

 Entropía y Entalpía.

Entropía.

El término fue propuesto por el físico alemán Rudolf Clausius en el siglo XIX, en el contexto de la segunda ley de la termodinámica, cuando observó que en todo proceso irreversible, una parte de la energía se transformaba en una forma no utilizable para realizar trabajo.

Ejemplo: Una taza contiene partículas enlazadas entre sí, formando una estructura cristalina y organizada, gracias a esto, la energía se puede transmitir fácilmente entre las partículas y aprovecharse para realizar un trabajo útil, por tanto la entropía es baja. Si se rompe la taza en muchos trozos pequeños, las partículas estarán más separadas y desorganizadas, por tanto, la energía no se transmite de forma eficiente entre las partículas y en ese caso, la entropía es más alta. Los trozos no se juntarán espontáneamente, nosotros debemos realizar un trabajo sobre ellos y transmitir energía para reconstruir la taza.

Definición. 

Magnitud física que describe la tendencia de los sistemas a evolucionar a estados de mayor desorden o aleatoriedad. Termodinámicamente, es una medida de la energía de un sistema que ya no puede ser utilizada para realizar trabajo útil. En un sistema aislado, la entropía tiende a aumentar con el tiempo.

Símbolo:    S 

Medición. Joules por Kelvin (J/K).

El cambio de entropía de un sistema se puede ver como el cambio en los microestados del sistema, de tal manera que se puede tener:

• En estado sólido, donde los átomos están fijos, el número de microestados, o desorden es muy pequeño.
• En estado líquido, el número de microestados o desorden aumenta, ya que sus partículas se pueden ordenar de muchas formas.
• En estado gaseoso, incrementa el número de microestados o desorden, ya que el espacio entre sus moléculas es mayor y por lo tanto mayor las formas en las que se pueden ordenar.

La entropía puede aumentar con el calentamiento, debido a que hay un cambio de estado de agregación, y con ello será mayor el número de microestados que pueden adquirir las moléculas, por tanto, a mayor temperatura mayor el aumento de la entropía.

ΔS = Incremento de Entropía

Características de la Entropía.

• Desorden. A mayor entropía, mayor desorden en un sistema.
• Irreversibilidad. Los procesos naturales tienden a aumentar la entropía, lo que es una medida de su irreversibilidad.

Fórmulas de la variación de la Entropía.

Para calcular el cambio de entropía de un gas ideal en un proceso isotérmico, es decir, a temperatura constante, cuando se tienen los valores de los volúmenes:

ΔS = Cambio en la Entropía. Si es positivo, el sistema se ha vuelvo más desordenado o aleatorio, por lo que hay más formas en que las partículas del sistema pueden estar organizadas. La energía se ha dispersado, lo que constituye un proceso espontáneo la mayoría de las veces.

Ejemplos: a) Los cambios de estado: cuando un sólido se funde o un líquido se evapora, las moléculas ganan libertad de movimiento y el desorden aumenta. b) Las reacciones químicas: en la que un reactivo se descompone en varios productos. 

Si es negativo, el sistema se ha vuelto más ordenado o menos aleatorio, por lo que las partículas del sistema son más estructuradas y su energía se ha concentrado. Este proceso no es espontáneo, necesita energía del exterior para ocurrir. Ejemplos: a) Cuando un gas se condensa a líquido o un líquido se congela a sólido por sus moléculas se vuelven menos móviles y se organizan. b) Reacciones químicas cuando varios reactivos se combinan para formar moléculas más complejas.

Q = Calor transferido al sistema.

T = Temperatura. 

 

Entalpía.

El término fue acuñado por el físico neerlandés Heike Kamerling Onnes.

Definición. 

Cantidad de calor que un sistema termodinámico libera o absorbe de su entorno, cuando está a una presión constante.

Símbolo:    H 

Medición. Joules o Calorías.

Fórmulas de la variación de la Entalía.

Para calcular la variación de la entalpía:

ΔH = Variación de la entalpía.

ΔE = Variación de la energía.

P =  Presión.

ΔV = Variación del volumen.

Otra fórmula de la entalpía:

q = Calor absorbido.

W = Trabajo realizado.

Si la reacción química es exotérmica, que libera energía, su ΔH es negativa (ΔH < 0).

Si la reacción química es endotérmica, que requiere energía para llevarse a cabo, su ΔH es positiva (ΔH > 0).

Relación entre la Entalpía y la Entropía.

Ambas propiedades permiten entender que todo sistema busca llegar a un equilibrio termodinámico e influyen en la espontaneidad de un proceso:

La entalpía determina si un proceso es exotérmico o endotérmico.

La entropía determina si un proceso es reversible o irreversible.

 Teoría cinética de los gases.

Dinámica. Rama de la física que permite comprender cómo los objetos se mueven y porqué se mueven de cierta forma como respuesta a fuerzas que actúan sobre ellos, es el estudio de las leyes del movimiento.

Explica el comportamiento y las propiedades de los gases en términos del movimiento de sus partículas.

Principios básicos:

• Las moléculas de un gas están en constante movimiento aleatorio y se mueven en todas las direcciones a diferentes velocidades.
• Las moléculas colisionan entre sí y con las paredes del contenedor. Estas colisiones se consideran elásticas, lo que significa que no hay perdida neta de energía cinética.
• Se asume que las fuerzas de atracción o repulsión entre as partículas de gas son insignificantes, por lo que su comportamiento se puede considerar independiente de éstas.

Un gas ideal, es un gas hipotético, cuyas partículas ideales se desplazan aleatoriamente sin interacción entre ellas, con un movimiento constante sin repelerse ni atraerse y ocupan un volumen despreciable, lo que permite simplificar el estudio de su comportamiento. Se basa en cómo sus propiedades de presión, volumen y temperatura se relacionan entre sí y cambian bajo diferentes condiciones, lo que se puede representar con la ecuación de estado (ley de los gases).

Para los gases reales, bajo condiciones de alta presión y temperatura, la energía potencial puede jugar un papel importante debido a que las interacciones entre sus partículas se vuelven significativas.

Leyes de los gases.

🔍 Ley de Boyle.

A temperatura constante, el volumen de una cantidad fija de gas es inversamente proporcional a su presión. Si aumenta la presión, el volumen disminuye y viceversa. La energía cinética promedio de las partículas (relacionada con la temperatura) se mantiene constante, pero cambia la manera en que estas partículas se distribuyen en el espacio (volumen).

🔍 Ley de Charles.

A presión constante, el volumen de una cantidad fija de gas es directamente proporcional a su temperatura, aumenta el volumen, y si se reduce, el volumen disminuye también. Al incrementar la temperatura, aumentas la energía cinética promedio de las partículas del gas, lo que hace que se muevan más rápidamente y ocupen más espacio (mayor volumen).

🔍 Ley de Gay-Lussac.

A volumen constante, la presión de una cantidad fija de gas es directamente proporcional a su temperatura. Al aumentar la temperatura, también aumenta la presión y al disminuir, la presión baja. Al aumentar la temperatura (y la energía cinética promedio), las partículas del gas chocan con más fuerza contra las paredes del contenedor, lo que aumenta la presión.

🔍 Ley de Avogadro.

La misma temperatura y presión, volúmenes iguales de gases diferentes contienen el mismo número de moléculas. La energía cinética promedio para las partículas de diferentes gases es la misma si están a la misma temperatura, independientemente de las diferencias en sus propiedades moleculares.

FÓRMULAS DE LAS LEYES DE LOS GASES.