Energía interna y entalpía
Introducción a la termodinámica
En el estudio de la química y especialmente la termodinámica, hay dos conceptos importantes que encontrarás, energía interna y entalpía. Estos términos son útiles para entender cómo cambia la energía durante una reacción química y cómo el calor interactúa con un sistema en diferentes circunstancias.
Entendiendo la energía interna
La energía interna es un concepto que intenta describir la energía total contenida dentro de una sustancia. Incluye toda la energía cinética (debido al movimiento de las partículas) y la energía potencial (debido a las interacciones entre partículas) presentes en las partículas de la sustancia. En una reacción química, la energía interna es esencialmente la energía almacenada en los enlaces químicos y el movimiento aleatorio de átomos y moléculas.
Imagina un sistema cerrado donde ninguna partícula puede entrar o salir, y piénsalo como una caja llena de moléculas de gas. La energía interna de esta caja puede considerarse como la suma de todas las energías cinéticas de las moléculas y la energía resultante de sus interacciones.
Fórmula de la energía interna
La energía interna total U de un sistema se representa como la suma de la energía cinética y la energía potencial de todos sus componentes.
U = CE + PEDónde:
CEes la energía cinética total.PEes la energía potencial total.
Entendiendo la entalpía
La entalpía es otra forma de energía, pero está más estrechamente relacionada con los cambios de energía en las reacciones químicas que ocurren a presión constante. La entalpía se define como la energía interna incluyendo el producto de la presión y el volumen del sistema.
En términos simples, si tienes un sistema como un globo inflado, a medida que se expande, su volumen cambia, realizando trabajo contra la presión atmosférica externa. Este trabajo es parte del cambio de entalpía.
Fórmula de la entalpía
La entalpía H se expresa matemáticamente como:
H = U + PVDónde:
Hes la entalpía.Ues la energía interna.Pes la presión.Ves el volumen.
Relaciones y diferencias
Tanto la energía interna como la entalpía son funciones de estado, lo que significa que dependen solo del estado actual del sistema, no de cómo el sistema llegó a ese estado. Nos proporcionan un medio para entender la transferencia de calor y el trabajo realizado en un sistema.
El factor diferenciador es que mientras la energía interna considera todos los tipos de energía en un sistema cerrado, la entalpía considera la energía requerida para crear espacio o volumen contra una cierta presión en un sistema.
Ejemplo visual: calentamiento de gas
Considera un contenedor de gas. Calentar el gas aumenta su energía interna porque las moléculas de gas se mueven más rápidamente. Si el gas se expande cuando se calienta, el sistema realiza trabajo (al empujar contra las paredes del contenedor o la atmósfera), lo que implica un cambio en la entalpía.
En esta ilustración simplificada, el movimiento de la partición dentro del contenedor parece causar un aumento de volumen, ya que el gas se expande hacia la derecha debido al calentamiento.
Más información sobre la entalpía: Calor de reacción
En la práctica, los químicos a menudo están interesados en el cambio de entalpía durante una reacción, conocido como el calor de reacción. Esta es la diferencia en entalpía entre los productos y los reactivos y se expresa como:
ΔH = H_productos - H_reactivosReacciones exotérmicas: Si ΔH es negativo, la reacción es exotérmica, lo que significa que libera calor a su entorno. Por ejemplo, las reacciones de combustión suelen ser exotérmicas.
Reacciones endotérmicas: Por el contrario, si ΔH es positivo, la reacción es endotérmica, requiriendo calor del entorno. Un ejemplo de esto sería la fusión del hielo o la disolución de nitrato de amonio en agua.
Cálculo de ejemplo para el cambio de entalpía
Consideremos un ejemplo práctico de cómo cambia la entalpía durante una reacción química. Supongamos que tenemos la combustión de propano:
C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2OEl cambio de entalpía para la reacción puede determinarse utilizando la entalpía estándar de formación:
ΔH = [3(ΔHf_CO2) + 4(ΔHf_H2O)] - [ΔHf_C3H8 + 5(ΔHf_O2)]El ΔH resultante nos dirá si se absorbe o libera calor, proporcionando información importante sobre el perfil energético de la reacción.
Conclusión
Entender la energía interna y la entalpía es esencial al profundizar en los procesos termodinámicos en las reacciones químicas. Estos conceptos sirven como base para estudiar las transformaciones de energía y entender las complejidades de las reacciones desde una perspectiva termodinámica. Con la energía interna, evaluamos el contenido de energía molecular dentro de un sistema, y con la entalpía, evaluamos los cambios durante las reacciones a presión constante, incluyendo cambios de fase y transformaciones químicas. Estos conceptos impactan significativamente en la forma en que los químicos predicen el comportamiento de las reacciones, escriben ecuaciones termoquímicas balanceadas y estiman la energía transferida en procesos de laboratorio o industriales.
Comentarios