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
- 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.
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 presión:
n = Número de moles del gas.
R = Constante de los gases ideales. Valor de 8.314 J/K mol.
In = Logaritmo natural.
v = volumen.
p = presión.
Cuando el volumen es constante:
C = Capacidad calorífica molar a volumen constante para un gas ideal con los siguientes valores:
- Para gases monoatómicos = 3/2 R
- Para gases diatómicos = 5/2 R
- Para gases poliatómicos = 6/2 R
n = Número de moles del gas.
P = Presión.
T = Temperatura.
In = Logaritmo natural.
Para calcular el cambio de entropía en reacciones químicas:
n = Coeficientes estequiométricos de los productos.
m = Coeficientes estequiométricos de los reactivos.
Σ = Sumatoria.
Para resolver algunos problemas relacionados con la variación de entropía se requiere conocer los siguientes datos:
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 Entropía.
Para calcular la variación de la entropía:
ΔH = Variación de la entalpía.
ΔE = Variación de la energía.
P = Presión.
ΔV = Variación del volumen.
