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Conceptos sobre la energía de los procesos químicos


Apunte parcial sobre el tema, aportado por un alumno.
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Los que aquí transcribimos son conceptos aislados que se recogieron durante una explicación teórica. Pueden contener errores de modo que agradeceremos cualquier corrección que quieran sugerir.
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En los procesos reversibles, la variación de energía total es cero.
En los procesos espontáneos, la variación de energía es negativa (efectúan trabajo).
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En los procesos reversibles isotérmicos, si el calor aumenta, la entropía aumenta, y si el calor disminuye, la entropía disminuye.
En los procesos reversibles adiabáticos, el calor no varía por lo que la entropía tampoco. Significa que el proceso depende de factores externos.
En los procesos irreversibles adiabáticos, la entropía se incrementa hasta alcanzar el equilibrio.
En los procesos espontáneos aumenta la entropía, en el equilibro y en los reversibles no varía la entropía.
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En el Universo todos los procesos son espontáneos. Esto significa que la entropía total, el calor total y el trabajo total (variación de energía) tienen valor cero.
Los procesos químicos naturales son irreversibles y espontáneos.
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En los sistemas aislados, la energía interna es constante.
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Si la energía final de un sistema es igual a la energía inicial más calor, el sistema absorbe calor (endotérmico).
Si la energía final de un sistema es igual a la energía inicial menos el trabajo producido, el sistema produce trabajo consumiendo energía.
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La variación de energía neta es entonces igual al calor absorbido menos el trabajo realizado.
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La Ecuación de Gibbs señala que
dE = T dS - P dV  (E=energía, T= temperatura, S= entropía, P= presión, V= volumen)
La energía libre de Gibbs es
G = H - T S (G= energía libre de Gibbs, H= entalpía)
La ecuación de Gibbs se aplica a procesos ideales y a procesos espontáneos.

Casos:
Si G es negativa, H es negativa y S es negativa, el proceso es espontáneo a baja temperatura.
Si G es positiva, H es positiva y S es positiva, el proceso no es espontáneo a baja temperatura.
Si G es negativa, H es negativa y S es positiva, el proceso es espontáneo a cualquier temperatura.
Si G es positiva, H es positiva y S es negativa, el proceso no es espontáneo a ninguna temperatura.
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En un sistema, llamamos "variación de energía interna U" la diferencia entre el calor y el trabajo relacionados con ese sistema.
El calor puede tener una variación positiva (recibe o absorbe) o negativa (libera).
El trabajo puede tener una variación positiva (el sistema realiza trabajo) o negativa (se realiza trabajo sobre el sistema).
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En un proceso cíclico, la variación de energía interna es cero porque el calor y el trabajo son equivalentes (Q = W).
En un sistema aislado, no varían ni el trabajo ni el calor por lo que la variación de energía interna es cero.
En un proceso adiabático, el calor no varía por lo que la variación de energía interna es igual al trabajo. Si el trabajo aumenta también aumenta la energía interna. Si el trabajo disminuye también disminuye la energía interna.
En un proceso isovolumétrico, la variación de energía interna es igual al calor.
En un proceso isobárico, el trabajo es igual al producto de la presión por la variación de volumen, es decir que la variación de energía interna es igual al calor menos ese producto.
En un proceso isotérmico, como P V = n R T  y T es constante, P V también será constante y la variación de energía interna será n R T ln (Vf/Vi). Si el calor aumenta, la entropía aumenta.
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Definiciones:
Energía: capacidad para realizar un trabajo.
Energía cinética: energía debida al movimiento de las partículas de un cuerpo.
Energía potencial: energía que posee un cuerpo debida a su posición.
Proceso exotérmico: proceso físico o químico que al efectuarse libera energía hacia el entorno.
Proceso endotérmico: proceso físico o químico que para efectuarse requiere absorción de energía desde el entorno.
Temperatura: energía cinética promedio de las partículas de un cuerpo.
Presión: fuerza ejercida por un cuerpo sobre una unidad de área.
Volumen: espacio que ocupa un cuerpo.

Factores que afectan la energía interna de un cuerpo: es la suma de
la energía cinética de las partículas de un cuerpo
más la energía de los enlaces
más la energía de atracción intermolecular
más la energía vibracional, rotacional y giratoria de las partículas constitutivas
más las energías de absorción y de emisión producidas por los electrones de los átomos.

Entalpía: energía en procesos realizados a presión constante (sistemas abiertos).
Trabajo: medio para cambiar la energía de un sistema.

Entropía: medida del retorno de la energía actualmente integrada a las masas, a la energía universal. En todo proceso espontáneo (irreversible) la entropía aumenta. Es una medida del desorden molecular. Por eso, la entropia de un cristal perfecto en el cero absoluto es cero (es la forma más ordenada de la masa). Lo único que le podrá pasar es aumentar esa temperatura hasta que nada de la masa de ese cristal haya quedado sin convertirse en energía.

Funciones de estado: son las propiedades que dependen de un estado inicial y otro final, y no dependen de la trayectoria (etapas intermedias).

Las reacciones químicas habituales se realizan en sistemas abiertos, a presión constante y volumen variable (son isobáricos). En sólidos y líquidos la variación de volumen es pequeña; en gases la variación de volumen es grande (se calcula con la ley de los gases ideales).
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