2.6.3: Energía Interna y Enthaply

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La entalpía de reacción mide el calor liberado/absorbido por una reacción que ocurre a presión constante.

Objetivos de aprendizaje

Revisar entalpía de reacción

Puntos Clave

A volumen constante, el calor de reacción es igual al cambio en la energía interna del sistema.
A presión constante, el calor de reacción es igual al cambio de entalpía del sistema.
La mayoría de las reacciones químicas ocurren a presión constante, por lo que la entalpía se usa más a menudo para medir los calores de reacción que la energía interna.

Términos Clave

entalpía: En termodinámica, una medida del contenido de calor de un sistema químico o físico.
energía interna: Una propiedad característica del estado de un sistema termodinámico, cuyo cambio es igual al calor absorbido menos el trabajo realizado por el sistema.
primera ley de la termodinámica: El calor y el trabajo son formas de transferencia de energía; la energía interna de un sistema cerrado cambia a medida que el calor y el trabajo se transfieren dentro o fuera de él.

En la termodinámica, el trabajo (W) se define como el proceso de una transferencia de energía de un sistema a otro. La primera ley de la termodinámica establece que la energía de un sistema cerrado es igual a la cantidad de calor suministrado al sistema menos la cantidad de trabajo realizado por el sistema en su entorno. La cantidad de energía para un sistema cerrado se escribe de la siguiente manera:

ΔU=Q−WΔU=Q−W

En esta ecuación, U es la energía total del sistema, Q es calor y W es trabajo. En los sistemas químicos, el tipo de trabajo más común es el trabajo presión-volumen (PV), en el que cambia el volumen de un gas. Sustituyendo esto por trabajo en la ecuación anterior, podemos definir el cambio en la energía interna para un sistema químico:

ΔU=Q−PΔVΔU=Q−PΔV

Cambio de Energía Interna a Volumen Constante

Examinemos el cambio de energía interna, ΔUΔU, a volumen constante. A volumen constante, ΔV=0ΔV=0, la ecuación para el cambio en la energía interna se reduce a lo siguiente:

ΔU=QVΔU=QV

El subíndice V se agrega a Q para indicar que esta es la transferencia de calor asociada a un proceso químico a volumen constante. Sin embargo, esta energía interna suele ser muy difícil de calcular en entornos de la vida real, porque los químicos tienden a ejecutar sus reacciones en matraces abiertos y vasos de precipitados que permiten que los gases escapen a la atmósfera. Por lo tanto, el volumen no se mantiene constante y calcular ΔUΔU se vuelve problemático. Para corregir esto, introducimos el concepto de entalpía, que es mucho más utilizado por los químicos.

Entalpía estándar de reacción

La entalpía de reacción se define como la energía interna del sistema de reacción, más el producto de presión y volumen. Está dado por:

H=U+PVH=U+PV

Al agregar el término PV, se hace posible medir un cambio en la energía dentro de un sistema químico, incluso cuando ese sistema funciona en su entorno. Muy a menudo, nos interesa el cambio en la entalpía de una reacción dada, que se puede expresar de la siguiente manera:

ΔH=ΔU+PΔVΔH=ΔU+PΔV

Cuando se ejecuta una reacción química en un laboratorio, la reacción se produce a presión constante, porque la presión atmosférica que nos rodea es relativamente constante. Examinaremos el cambio en la entalpía para una reacción a presión constante, para ver por qué la entalpía es un concepto tan útil para los químicos.

Entalpía de Reacción a Presión Constante

Veamos una vez más el cambio en la entalpía para un proceso químico dado. Se da de la siguiente manera:

ΔH=ΔU+PΔVΔH=ΔU+PΔV

Sin embargo, también sabemos que:

ΔU=Q−W=Q−PΔVΔU=Q−W=Q−PΔV

Sustituyendo para combinar estas dos ecuaciones, tenemos:

ΔH=Q−PΔV+PΔV=QPΔH=Q−PΔV+PΔV=QP

Así, a presión constante, el cambio en la entalpía es simplemente igual al calor liberado/absorbido por la reacción. Debido a esta relación, el cambio en la entalpía se suele referir simplemente como el “calor de reacción”.

Entalpía: Una explicación de por qué la entalpía puede verse como “contenido de calor” en un sistema de presión constante.

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