Combustibles y entalpía

Habilidades para Desarrollar

• Realizar cálculos de entalpía y describir el proceso y los resultados

¿Qué es el combustible?

Una de las aplicaciones más importantes de la química es el estudio de los combustibles. Combustible básicamente significa un químico que puede proporcionar energía. Usamos combustible para hacer casi todo. La comida proporciona combustible a nuestros cuerpos. La gasolina proporciona combustible para nuestros autos. Muchos productos químicos diferentes, desde el carbón y el gas hasta el uranio, proporcionan combustible para las centrales eléctricas que producen energía eléctrica. Cuando usamos un combustible, éste se convierte en un reactivo en algún tipo de reacción. La mayoría de las veces, los combustibles se queman en el aire para proporcionar calor, y el calor se convierte en trabajo. Por esta razón, muchas veces queremos saber cuánto calor podemos obtener de una reacción química.

Entalpía

Cuando nuestros sistemas incluyen productos químicos que participan en una reacción, el sistema puede ganar o perder calor debido a la reacción, y el sistema también puede funcionar, o se puede trabajar en el sistema. ¿Cómo funcionaría el sistema? Supongamos que quema algo de propano (C ₃ H ₈). Escribe una ecuación equilibrada para esta reacción, y convencerte de que hay más moles de gas presentes en los productos que en los reactivos. Además, ya sabes que quemar propano eleva la temperatura. Si se quema algo de propano, el sistema aumentará de volumen, porque hay más gas, y hace más calor. (Si se quema el propano en un recipiente muy fuerte, entonces el volumen se mantendrá igual y la presión aumentará.) Cuando el volumen del sistema aumenta en un contenedor abierto, empujará el entorno, como la atmósfera, y hará trabajo de PV. Tal vez podamos usar esta obra (en un motor de combustión interna como en un automóvil, por ejemplo) pero solo si controlamos el volumen. Si hacemos la reacción abierta a la atmósfera, a presión constante (presión atmosférica), entonces no podremos usar el trabajo realizado por la reacción.

En química, debido a que las reacciones a menudo se realizan a presión atmosférica, muchas veces queremos saber cuánto calor está disponible de una reacción que ocurre a presión constante. Para que esto sea conveniente, podemos definir una nueva cantidad, relacionada con la energía interna, que se llama entalpía, abreviada H:

\[H=E+pV\]

He aquí por qué esta definición es útil. El trabajo realizado por una reacción a presión constante es

\[w=-p \Delta V\]

donde p es la presión, y ΔV es el cambio de volumen del sistema de reacción, y el signo de w es negativo porque el sistema está funcionando. El cambio en la entalpía para una reacción es

\[\Delta H=\Delta (E+pV) = \Delta E + p\Delta V (at\; constant\; p)\]

Dado que ΔE = q + w,

\[\Delta H = (q + w) + p\Delta V = (q + w) − w = q\]

Así, el cambio de entalpía en una reacción nos dice exactamente cuánto calor puede proporcionar la reacción si corre a presión constante. No necesitamos preocuparnos por calcular el trabajo realizado por la reacción que empuja hacia atrás la atmósfera porque ya está eliminada de la definición de entalpía. La entalpía es una función de estado porque E, p y V son todas funciones de estado. La entalpía no tiene un significado molecular como la energía interna, pero generalmente el pV es pequeño, por lo que la entalpía es similar a la energía interna.

Cuando ΔH es positivo, entonces el calor ha entrado en el sistema, y el proceso se llama endotérmico. Las reacciones endotérmicas se sienten frías al tacto porque tiran el calor de tu mano hacia el sistema de reacción. La evaporación es endotérmica, razón por la cual el sudor nos ayuda a refrescarnos. Cuando ΔH es negativo, el calor sale del sistema, y el proceso se llama exotérmico. Los procesos exotérmicos se sienten calientes. Es por ello que las llamas te quemarán.

Enlaces externos

• Khan Academy: Entalpía (15 min)
• CrashCourse Química: Entalpía (11 min)

Colaboradores y Atribuciones

• Emily V Eames (City College of San Francisco)