Termodinámica CN-G9-DBA2

La termodinámica estudia las transformaciones de energía entre calor, trabajo y energía interna en sistemas físicos y químicos. Sus tres leyes constituyen un marco predictivo aplicado desde reacciones químicas industriales hasta procesos biológicos celulares y máquinas térmicas.

El análisis comienza con la definición de sistema: cerrado intercambia energía pero no materia, abierto intercambia ambos, aislado no intercambia ninguno. La energía interna U queda determinada por la suma de las energías cinéticas y potenciales de las partículas constituyentes.

La primera ley establece la conservación de la energía: ΔU = Q − W, donde Q representa el calor absorbido por el sistema y W el trabajo realizado por el sistema sobre el entorno. Esta ley se aplica universalmente, pero no informa sobre la dirección espontánea de los procesos.

La segunda ley introduce la entropía S como medida del desorden microscópico. Se demuestra que en cualquier proceso espontáneo la entropía total del universo aumenta: ΔS_universo ≥ 0. Esta direccionalidad explica el flujo espontáneo de calor desde el cuerpo caliente hacia el frío.

La energía libre de Gibbs G combina ambas leyes en una sola función de estado: ΔG = ΔH − TΔS. El signo del cambio determina la espontaneidad a temperatura y presión constantes: ΔG ≤ 0 indica reacción espontánea, ΔG ≥ 0 indica no espontánea, y ΔG = 0 corresponde al equilibrio. La entalpía ΔH distingue dos tipos: una reacción exotérmica libera calor (ΔH ≤ 0) y una reacción endotérmica absorbe calor (ΔH ≥ 0). El término entrópico TΔS puede volver espontánea una reacción endotérmica.

El ciclo de Carnot describe la máquina térmica ideal reversible entre dos reservorios a temperaturas T_h y T_c. El diagrama presión-volumen muestra cuatro pasos: expansión isotérmica a T_h con absorción de calor Q_h, expansión adiabática, compresión isotérmica a T_c con liberación de Q_c, y compresión adiabática. Su eficiencia máxima queda determinada por η = 1 − T_c/T_h.

Las aplicaciones abarcan motores de combustión, turbinas industriales, predicción de espontaneidad química y análisis energético de procesos biológicos. La tercera ley fija la entropía absoluta de un cristal perfecto a 0 K como cero, completando el sistema axiomático de la termodinámica clásica.

Práctica

Observa el diagrama PV del ciclo de Carnot arriba. Para una reacción con ΔH = −50 kJ/mol y ΔS = +120 J/(mol·K), calcula ΔG a 298 K y determina si es espontánea.

ΔG = ΔH − TΔS = −50 000 J/mol − (298 K)(120 J/(mol·K)) = −50 000 − 35 760 = −85 760 J/mol ≈ −85,76 kJ/mol. Como ΔG ≤ 0, la reacción es espontánea a 298 K.

Explica la diferencia entre la primera y la segunda ley de la termodinámica y por qué ambas son necesarias para predecir la dirección de un proceso.

La primera ley es de conservación (la energía total no se crea ni se destruye, solo se transforma) pero no indica dirección. La segunda ley introduce la entropía (ΔS_universo ≥ 0 para procesos espontáneos): un proceso es espontáneo solo si la entropía total del universo aumenta. La primera asegura el balance energético y la segunda fija la direccionalidad.

Una máquina de Carnot opera entre T_h = 600 K y T_c = 300 K. Calcula su eficiencia máxima teórica y explica por qué ninguna máquina térmica real puede superarla.

η = 1 − T_c/T_h = 1 − 300/600 = 0,5 = 50 %. La eficiencia de Carnot es el límite superior impuesto por la segunda ley; ninguna máquina térmica real puede superarla porque cualquier ciclo termodinámico irreversible genera entropía adicional que la idealización de Carnot solo iguala (no la reduce).