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5.4: Cálculo de los cambios de entropía

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    Los cambios de entropía son bastante fáciles de calcular siempre y cuando se conozca el estado inicial y final. Por ejemplo, si el volumen inicial y final son los mismos, la entropía se puede calcular asumiendo una vía reversible, isocórica y determinando una expresión para\(\frac{dq}{T}\). Ese término puede entonces integrarse desde la condición inicial hasta las condiciones finales para determinar el cambio de entropía.

    Cambios isotérmicos

    Si las temperaturas inicial y final son las mismas, la ruta reversible más conveniente para calcular la entropía es una vía isotérmica. Como ejemplo, considere la expansión isotérmica de un gas ideal de\(V_1\) a\(V_2\). Como se derivó en el Capítulo 3,

    \[ dq = nRT \dfrac{dV}{V}\]

    Así\(dq/T\) es dado por

    \[\dfrac{dq}{T} = nR\dfrac{dV}{V}\]

    y así

    \[ \Delta S = \int \dfrac{dq}{T} = nR \int_{V_1}^{V_2} \dfrac{dV}{V} = nR \ln \left( \dfrac{V_2}{V_1} \right) \label{isothermS}\]

    Ejemplo\(\PageIndex{1}\): Entropy Change for a Gas Expansion

    Calcular el cambio de entropía para 1.00 mol de un gas ideal expandiéndose isotérmicamente de un volumen de 24.4 L a 48.8 L.

    Solución

    Reconociendo que se trata de un proceso isotérmico, podemos usar la ecuación\ ref {isotermas}

    \[ \begin{align*} \Delta S &= nR \ln \left( \dfrac{V_2}{V_1} \right) \\ &= (1.00 \, mol) (8.314 J/(mol \, K)) \ln \left( \dfrac{44.8\,L}{22.4\,L } \right) \\ &= 5.76 \, J/K \end{align*} \]

    Cambios isobáricos

    Para los cambios en los que las presiones inicial y final son las mismas, la vía más conveniente para calcular el cambio de entropía es una vía isobárica. En este caso, es útil recordar que

    \[dq = nC_pdT\]

    Entonces

    \[\dfrac{dq}{T} = nC_p \dfrac{dT}{T}\]

    La integración de la temperatura inicial a la final se utiliza para calcular el cambio en la entropía. Si la capacidad calorífica es constante en el rango de temperatura

    \[ \int_{T_1}^{T_2} \dfrac{dq}{T} = nC_p \int_{T_1}^{T_2} \dfrac{dT}{T} = nC_p \ln \left( \dfrac{T_2}{T_1} \right)\]

    Si se conoce la dependencia de la temperatura de la capacidad calorífica, se puede incorporar a la integral. Por ejemplo, si se\(C_p\) puede expresar como

    \[C_p =a + bT + \dfrac{c}{T^2}\]

    \(\Delta S\)toma la forma

    \[ \int_{T_1}^{T_2} \dfrac{dq}{T} = n \int_{T_1}^{T_2} \dfrac{a + bT + \dfrac{c}{T^2}}{T} dT\]

    lo que simplifica

    \[ \Delta S = n \int_{T_1}^{T_2} \left( \dfrac{a}{T} + bT + \dfrac{c}{T^3} \right) dT\]

    o

    \[ \Delta S = n \left[ a \ln \left( \dfrac{T_2}{T_1} \right) + b(T_2-T_1) - \dfrac{c}{2} \left( \dfrac{1}{T_2^2} -\dfrac{1}{T_1^2} \right) \right] \]

    Cambios isocóricos

    De manera similar al fundido de presión constante, es bastante sencillo de calcular\(\Delta S\). Desde

    \[ dq = nC_Vdt\]

    \(\dfrac{dq}{T}\)está dado por

    \[\dfrac{dq}{T} = nC_V \dfrac{dT}{T}\]

    Y así para los cambios sobre los cuales\(C_V\) es independiente de la temperatura\(\Delta S\) viene dada por

    \[ \Delta S = nC_v \ln \left( \dfrac{T_2}{T_1} \right)\]

    Cambios adiabáticos

    La vía más fácil para calcular los cambios de entropía es una vía adiabática. Ya que\(dq = 0\) por un cambio adiabático, entonces\(dS = 0\) también.

    Cambios de fase

    El cambio de entropía para un cambio de fase a presión constante viene dado por

    \[ \Delta S = \dfrac{q}{T} = \dfrac{\Delta H_{phase}}{T} \label{phase}\]

    Ejemplo\(\PageIndex{2}\): Entropy Change for Melting Ice

    La entalpía de fusión para el agua es de 6.01 kJ/mol. Calcular el cambio de entropía para 1.0 mol de hielo que se derrite para formar líquido a 273 K.

    Solución

    Esta es una transición de fase a presión constante (asumida) que requiere Ecuación\ ref {fase}:

    \[\begin{align*} \Delta S &= \dfrac{(1\,mol)(6010\, J/mol)}{273\,K} \\ &= 22 \,J/K \end{align*}\]


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