⚛️Primer Principio de la Termodinámica explicado: Termoquímica y recursos clave⚗️

¡Prepárate para la PAU y las PCE con nuestro resumen sobre el primer principio de Termodinámica!

Descubre los conceptos clave sobre el primer principio de la Termodinámica de forma sencilla y organizada. Este resumen está diseñado para ayudarte a entender los principios fundamentales y preparar tus exámenes de selectividad y PCE con éxito. ¡Vamos a ello!

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⚛️¿Qué es la Termoquímica?

La Termoquímica es una rama de la Química Física que estudia las transformaciones de energía, especialmente el calor y trabajo, conceptos que están estrechamente ligados al Primer Principio de la Termodinámica.

¿Qué es la Energía?

La energía es la capacidad de un sistema para realizar trabajo o transferir calor. Es fundamental en todos los procesos químicos y físicos.

Ejemplo visual: Imagina una pelota en la cima de una colina. Al estar en esa posición elevada, tiene «energía potencial», que es la capacidad de realizar algo, en este caso, caer. Si soltamos la pelota, esta empieza a rodar colina abajo y su «energía potencial» se transforma en «energía cinética», que es la energía del movimiento. Esto muestra cómo la energía puede cambiar de forma, pero siempre está presente, aunque no podamos verla.

⚛️ Tipos de Sistemas Termodinámicos

• Sistema abierto: Intercambia materia y energía con el entorno. Ejemplo: una olla hirviendo sin tapa permite que el agua y el calor salgan hacia el aire.
• Sistema cerrado: Intercambia solo energía, no materia. Ejemplo: una botella cerrada calentándose, donde el calor entra, pero la materia permanece dentro.
• Sistema aislado: No intercambia ni materia ni energía con el entorno. Ejemplo: un termo sellado que conserva el calor y la materia en su interior.

⚛️ Variables Termodinámicas

Las variables termodinámicas son magnitudes que describen el estado de un sistema, por ejemplo, la presión, el número de moles, el volumen….. y nos ayudan a entender cómo interactúan con el entorno. Para facilitar su comprensión, puedes visualizar ejemplos prácticos con el siguiente esquema que diferencia entre variables extensivas e intensivas.

Ejemplo práctico de variables extensivas e intensivas.

• Extensivas: Estas dependen de la cantidad de materia. Por ejemplo, si tienes 1 mol de H₂ y lo divides por la mitad, obtendrás 0.5 moles, y lo mismo ocurre con el volumen o la masa: estas variables cambian proporcionalmente al tamaño del sistema.
• Intensivas: Estas no dependen de la cantidad de materia. Por ejemplo, si tienes una concentración de H₂ de 0.045 M y divides el sistema en dos partes iguales, la concentración seguirá siendo la misma. Esto es similar a cuando tomas una cucharada de café de una taza: el sabor, color y aroma del café no cambian, ya que estas son propiedades intensivas.

⚛️ Funciones de Estado

Las funciones de estado son propiedades que dependen únicamente del estado inicial y final del sistema, sin importar cómo se llegó allí. Estas incluyen:

• Energía interna (U): Representa la suma de todas las energías del sistema.
• Entalpía (H): Mide el calor en procesos a presión constante.
• Entropía (S): Mide el desorden del sistema.
• Energía libre de Gibbs (G): Determina la espontaneidad de un proceso.

Un ejemplo claro es la temperatura: si un sistema pasa de 20°C a 30°C, no importa si lo hizo rápidamente o en etapas, la diferencia de temperatura sigue siendo 10°C.

🔔 Recordatorio: El trabajo (W) y el calor (Q) NO son funciones de estado, ya que dependen del camino seguido. Esto significa que el valor de W y Q varía según cómo se realice el proceso, a diferencia de las funciones de estado como la entalpía o la energía interna.

⚛️Primer Principio de la Termodinámica

El Primer Principio de la Termodinámica establece la ley fundamental de conservación de la energía. Este principio nos dice que la energía total de un sistema y su entorno permanece constante, aunque pueda transformarse de una forma a otra.

El cambio en la energía interna (ΔU) de un sistema es igual a la suma del calor (Q) y el trabajo (W) intercambiados con el entorno. Recuerda que al ser valores de energía tanto la U como el Q y el W se miden el julios (J). 

Fórmulas clave:

• ΔU = Q + W
• W = -P ⋅ ΔV

Pero, ¿qué es la energía interna? A nivel atómico, la energía interna es la suma de las energías cinéticas de las partículas debido a su movimiento (vibración, rotación y traslación) y las energías potenciales asociadas a las fuerzas que las mantienen unidas o interactúan entre sí.

⚛️Criterio de Signos

En Termoquímica, es importante interpretar correctamente los signos de las magnitudes, ya que nos indican la dirección del intercambio de energía. Para entenderlo mejor, recuerda: todo «esfuerzo» que realiza el sistema hacia el exterior disminuye su energía interna, mientras que cualquier «esfuerzo» realizado sobre el sistema aumenta su energía interna, y por eso será positivo. Este enfoque facilita visualizar cómo la energía fluye en diferentes procesos. 

Criterio de signos calor y trabajo

⚛️Tipos de Procesos Termodinámicos

Los procesos termodinámicos se clasifican en función de las variables que se mantienen constantes durante su desarrollo. Cada tipo tiene aplicaciones específicas en la química y en otros campos.

• Isobáricos (P constante): Qp = ΔH
• Isócoros (V constante): ΔU = Qv
• Isotérmicos (T constante): Q = -W

Relación Qp y Qv

Relación Qp y Qv

En esta sesión, extraída de nuestro curso de química en videoclases, te explicamos en profundidad los casos específicos y el origen de la entalpía. Revisa el vídeo y, si tienes alguna duda, no dudes en dejarnos un comentario en este post. ¡Estamos aquí para ayudarte!

⚛️Entalpía (ΔH)

La entalpía es una medida del calor involucrado en una reacción química a presión constante. Se define matemáticamente como H = U + PV, donde U es la energía interna del sistema, P es la presión y V es el volumen. Esta relación nos ayuda a entender si una reacción libera o absorbe energía en forma de calor en condiciones constantes de presión. La mayor parte de los ejercicios que suelen aparecer en los exámenes de química incluyen cálculos de entalpía, ya que es un concepto clave para analizar reacciones químicas y procesos energéticos.

La entalpía mide el calor absorbido o desprendido en una reacción química a presión constante.

• Reacción endotérmica: ΔH > 0 (absorbe calor).
• Reacción exotérmica: ΔH < 0 (libera calor).

⚛️Ley de Hess

La Ley de Hess nos permite calcular la entalpía de una reacción química (ΔHºr) sumando las entalpías de reacciones intermedias conocidas. Es una herramienta esencial para resolver problemas termodinámicos complejos.

⚛️Cálculo de ΔH

El cálculo de la entalpía se puede realizar utilizando diferentes métodos, dependiendo de la información disponible. Los dos enfoques más comunes son el uso de entalpías de formación y energías de enlace.

1. Con entalpías de formación (ΔHf):
   • ΔHr = Σ ΔHf (productos) – Σ ΔHf (reactivos)
2. Con energías de enlace:
   • ΔHr = Σ E (enlaces rotos) – Σ E (enlaces formados)

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Si necesitas profundizar en el tema, te invitamos a visitar este otro post donde encontrarás ejemplos de problemas de termoquímica resueltos en vídeo. Una excelente manera de aplicar lo aprendido y dominar estos conceptos.

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