¿Qué es entalpía en termodinámica? - Propiedades de la reacción química

Qué es entalpía

En termodinámica, la entalpía es una función de estado que describe la cantidad de energía total de un sistema termodinámico, y está dada por la suma de la energía química interna del sistema y el producto de la presión y volumen del sistema.

Es un vocablo que proviene del griego y su significado es “agregar calor”. En principio se creía que quienes instauraron la palabra fueron Émile Clapeyron y Rudolf Clausius por medio de la divulgación de su investigación en The Mollier Steam Tables and Diagrams en 1827, pero a inicios del siglo XX, el primero que acuñó y le dio utilidad al término fue el neerlandés Heike Kamerlingh Onnes, ganador del Premio Nobel de Física en 1913.

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Índice()
  1. Concepto y definición de la entalpía termodinámica
  2. ¿Cuáles son las características de la entalpía?
  3. ¿Cuál es la fórmula de la entalpía termodinámica?
    1. ¿Cuál es el símbolo de la entalpía termodinámica?
  4. ¿Cuáles son los tipos de entalpía en termodinámica?
    1. Entalpía de reacción
    2. Entalpía de neutralización
    3. Entalpía de combustión
    4. Entalpía de descomposición
    5. Entalpía de disolución
    6. Entalpía de cambio de fase
  5. ¿En qué proceso la entalpía es constante?
  6. Ejemplos de la entalpía en termodinámica

Concepto y definición de la entalpía termodinámica

La entalpía es una magnitud termodinámica que se define como la suma de la energía interna de un sistema y el producto de la presión y volumen del mismo. Se representa por la letra 'H' y se expresa en unidades de energía, como joules o calorías.

La variable 'H' pertenece al ámbito mecánico del calor y representa una proporción que involucra la circulación de corriente térmica. Este proceso se efectúa bajo presión constante y se caracteriza por realizarse mediante trabajo de presión-volumen. En síntesis, 'H' es una medida de la actividad que un proceso realiza en su espacio.

'H' se interpreta como una medida de la energía absorbida por el sistema termodinámico, o como el volumen de energía intercambiado con su entorno. Su función está estrechamente relacionada con el estado termodinámico, y su variación produce un cambio en el calor expuesto a presión constante.

Fundamentalmente, 'H' describe una transformación que puede intercambiar energía con su entorno, de manera que su valor numérico es igual a la temperatura del sistema y del ambiente en cuestión. La termodinámica estudia la transformación de calor y se enfoca en dos tipos: la función de Gibbs, que se relaciona con el proceso libre, y la entalpía molar, que se refiere a un mol de la sustancia en cuestión.

Según el proceso de transformación que se analice, la entalpía se puede clasificar en dos tipos:

  • Endotérmica: Este tipo de entalpía consume energía o calor del entorno para llevar a cabo un proceso.
  • Exotérmica: En cambio, la entalpía exotérmica libera energía hacia el medio ambiente durante su transformación.

La entalpía es una función termodinámica que se utiliza para expresar la variación del volumen de energía que se pone en exposición durante un cambio isobárico, o a presión constante en una red termodinámica. Desde el punto de vista numérico, la entalpía representa la cantidad de calor que se intercambia con el ambiente exterior y la presión del sistema.

¿Cuáles son las características de la entalpía?

Las principales características de la entalpía son las siguientes:

  • Representa la cantidad de energía que un sistema termodinámico contiene en forma de calor y trabajo. En otras palabras, es la energía total de un sistema.
  • Es una función de estado, lo que significa que su valor depende únicamente del estado actual del sistema y no del camino seguido para llegar a ese estado.
  • La entalpía se mide en unidades de energía, como julios o calorías.
  • La entalpía puede ser positiva, negativa o cero, dependiendo de si el sistema absorbe, libera o no intercambia calor o trabajo con su entorno.
  • La entalpía es una propiedad extensiva, lo que significa que su valor depende de la cantidad de materia que hay en el sistema.
  • La entalpía se utiliza en muchos campos de la ciencia y la ingeniería, especialmente en la química y la termodinámica, para describir y predecir procesos termodinámicos.

¿Cuál es la fórmula de la entalpía termodinámica?

La entalpía es una propiedad termodinámica que se utiliza para medir la energía de un sistema. Su fórmula es H = E + PV, donde:

  • 'E' es la energía interna del sistema.
  • 'P' es la presión.
  • 'V es el volumen.

Esta fórmula nos muestra que la entalpía es igual a la suma del trabajo mecánico realizado en el sistema y la fuerza que actúa en él. Cuando se produce un cambio en el sistema, se utiliza una fórmula diferente para calcular la entalpía, que es:

  • ΔH = ΔE + PΔV.

Esta fórmula representa el cambio en la energía del sistema y el trabajo mecánico que se realiza en él.

El diagrama termodinámico de Mollier es una herramienta útil para estudiar la entalpía. En él se representan los posibles estados de un compuesto químico en una carta logarítmica del plano presión/entalpía. También es donde se localizan y estudian los sistemas frigoríficos de refrigeración por compresión.

Es importante tener en cuenta que la entalpía solo depende del estado presente del sistema y no del proceso que condujo a él. Además, la termoquímica es parte de la termodinámica y estudia los cambios de calor producidos por las reacciones químicas.

Para calcular la entalpía en una reacción química se utiliza la ley de Hess, que establece que la variación de calor en una reacción es igual, independientemente de si se produce en un solo paso o en varios. Para aplicar esta ley, se deben invertir las ecuaciones químicas y sumar sus valores para obtener la entalpía deseada.

¿Cuál es el símbolo de la entalpía termodinámica?

El símbolo 'H' se utiliza para representar la entalpía en ecuaciones químicas y termodinámicas. Por ejemplo, la entalpía de formación se representa como 'ΔHf', que es la cantidad de calor liberado o absorbido cuando se forma una molécula a partir de sus elementos constituyentes en su estado estándar.

La entalpía se expresa comúnmente en unidades de energía por cantidad de sustancia, por ejemplo, julios por mol (J/mol) o kilojulios por kilogramo (kJ/kg). La forma de leer las medidas de entalpía depende de la unidad utilizada y del contexto en el que se utiliza.

Por ejemplo, si la unidad es J/mol, la entalpía se puede leer como 'julios por mol' o simplemente como 'entalpía molar'. Si la unidad es kJ/kg, la entalpía se puede leer como 'kilojulios por kilogramo' o como 'entalpía específica'. En ambos casos, la entalpía indica la cantidad de energía asociada con una determinada cantidad de sustancia.

¿Cuáles son los tipos de entalpía en termodinámica?

Cuando 1 mol de sustancia se desarrolla de los elementos en circunstancias normales, se gestan diferentes tipos de estados de acuerdo con los componentes y procedimientos inmersos. Al involucrar la liberación de energía, se origina una respuesta exotérmica, lo que produce la recepción de fluidez que, en otras palabras, es una reacción endotérmica que lleva a una clasificación de los tipos de calor:

Entalpía en fenómenos químicos

  • Formación.
  • Descomposición.
  • Combustión.
  • Neutralización.

Entalpía en fenómenos físicos

  • Cambio de fase.
  • Vaporización
  • Solidificación
  • Fusión.
  • Disolución.

Entalpía de reacción

Es la potencia que desprende de una acción química luego de ser sometida a una fuerza firme. Se trata del calor que se cruza con el entorno bajo presión produciendo una reacción determinada. Su valor es distinto según la amenaza y la temperatura a la que se somete y dependiendo de las condiciones en las que se da, puede ser estándar o normal.

Es la cantidad de calor que se recibe o se desprende durante el proceso de un procedimiento químico, de acuerdo a una presión continua y según las cantidades de reactivos y productos que se manejan.

En fisicoquímica resulta relevante porque analiza los cambios de calor relacionados con las acciones químicas. Esto gracias a que proporciona datos experimentales que se compilan en gráficos que ayudan con la evaluación de la reacción. En general, su objetivo es determinar las cantidades de energía captadas en una variedad de procesos.

  • A modo de ejemplo: La formación de metano (CH4), iniciando de la unión del carbono (C) e hidrógeno (H) = C +2H2 →CH4.

Entalpía de neutralización

Es una energía que se recibe o se desprende al mezclar un ácido y una base, haciendo el efecto de anularse. Esto sucede cuando un químico potente se neutraliza por un principio fuerte en una solución y ésta desprende la misma cantidad de expansión.

Si la reacción se desarrolla en condiciones isobáricas, el calor en mantenimiento produce un proceso químico que puede darse entre iones protónicos e hidróxido, con los que se forma agua disociada.

  • Ejemplo: Cuando se mezclan ácido acético (CH₃COOH) y bicarbonato (NaHCO₃).

Entalpía de combustión

En el instante en que un mol de sustancia orgánica se produce con el oxígeno del aire y emana dióxido de carbono, se activa éste efecto (CO2). Estas reacciones siempre son exotérmicas y se miden con una bomba de calorimetría en unidades de energía.

Dentro del proceso de combustión se clasifican a aquellas sustancias que sufren una alteración con el oxigeno gaseoso, siendo:

  • Completa: Cuando esparse sustancias nada más de dióxido de carbono (CO2) y agua (H₂O), se dice que está en una condición neutral. Esa reacción se da sólo con compuestos de hidrógeno, oxígeno, hidrocarburos, alcoholes y carbohidratos.
  • Incompleta: Es cuando al liberar el (CO) y el agua (H₂O) o el carbono elemental (C(s)), no se da la modificación estándar de la combustión, sino que se produce el cálculo de la variación de energía calórica.

Entalpía de descomposición

Hace referencia al volumen de fuerza que se libera cuando un mol de sustancia se descompone en elementos más simples. Si es a la inversa, se refiere a la cantidad de energía absorbida o libre que se da al momento de que un núcleo complejo decanta en cuerpos más simples.

  • Un ejemplo se da al descomponer el agua oxigenada o peróxido de hidrógeno, con la finalidad de formar agua y oxígeno: 2H2O2→ 2H2O + O2.

Entalpía de disolución

Hace acotación al volumen de calor dado o cedido por un elemento y se disuelve en solución acuosa. Un ejemplo de este proceso es cuando se mezcla el detergente en polvo en agua.

Entalpía de cambio de fase

Es el intercambio de energía que se da cuando un elemento cambia de estado, bien sea a sólido, líquido o gaseoso, por lo que se puede dar de la siguiente manera:

  • Fusión: Es el desarrollo del cambio de estado compacto a claro.
  • Sublimación: Es la transición de sólido a gas.
  • Evaporación: El proceso de variación a gas.

Por ejemplo, lo que sucede en el ciclo del agua cuando pasa de estado claro a gaseoso o sólido absorbiendo energía.

¿En qué proceso la entalpía es constante?

Específicamente, en el de reacción, aunque es posible medirlo en varias temperaturas y presión. En los resultados químicos, los enlaces entre átomos pueden dañarse, regenerarse o experimentar los dos procesos para absorber o liberar sustancia. El resultado que se obtiene es una transformación considerable de la energía del sistema, dado por el calor de la materia sometida a una presión continua que produce una reacción.

Se puede analizar este proceso entendiendo que hay una diferencia entre la energía potencial de las conexiones del producto y la energía posible de los enlaces de los reactivos:

  • Las respuestas en las que las sustancias presentan un movimiento potencial más bajo en comparación a los reactantes se conocen como exotérmicas y las que tienen mayor potencia que los reactivos son endotérmicas.
  • El movimiento liberado no sólo se desvanece, sino que se convierte en energía cinética.
  • Esto genera calor y se observa cómo se produce el resultado a medida que se incrementa la temperatura.
  • Además es de considerar que este tipo de reacciones suelen requerir que se añada la energía necesaria como fuente de calor para obtener una respuesta a una temperatura más elevada.
  • Cuantificar esta reacción se puede hacer utilizando las entalpías de formación para las moléculas que están involucradas en el proceso.
  • Estos valores detallan el cambio que se da en un compuesto desde sus elementos iniciales.
  • Un enfoque alterno para comprender el proceso de constante dentro de la masa se puede conseguir estimando y considerando los enlaces independientes movidos en la reacción.

Ejemplos de la entalpía en termodinámica

  • Si bien es cierto que el agua es una fuerza propia, cuando el hielo que se produce, con el H2O, se derrite, hace que se produzca un fenómeno llamado 'ΔHfus' o calor de fusión.
  • Otro ejemplo es la unión del oxígeno (O) con el hidrógeno (H) con el objetivo formar agua (H2O).
  • La combustión del metano también funciona para ejemplificar:
    • CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O

Esto significa que un mol de CH4, al combustionar, desprende energía.

  • El hidrogenación del etileno:
    • CH2=CH2 + H2 → CH3CH3

Un mol de etileno libera calor porque se hidrogena para transformarse en etano.

  • La sal de mesa se disuelve en el agua para separar los iones Na+ y Cl– de las redes cristalinas y rodearse de moléculas de agua:
    • NaCl(s) → Na+(ac) + Cl–(ac)

Su uso se puede dar en diversidad de leyes y ecuaciones, y en la vida cotidiana se aplica en los calentadores de manos. Por ejemplo, en una nevera se absorben refrigerantes como el freón, lo cual se puede ver en el frío de los alimentos. También hay personas usan el calor químico en el exterior a través de un paquete o envoltorio que, cuando se agita, comienza a calentar las manos. Esto sucede porque varios reactivos están expuestos al aire.

En las ciencias duras como la física, biología y la química es muy importante para medir la actividad que contiene un cuerpo porque ayuda a facilitar el proceso de transferencia de energía. Permite importantes adelantos tecnológicos y la componen elementos necesarios que se utilizan en el desarrollo y avances de la humanidad.

  • La entalpía es muy útil en la comprensión del contenido energético de un sistema termodinámico en el universo. En los procesos industriales y en la ingeniería del gas natural es importante considerar que hay propiedades que, sin duda, se deben calcular porque son aplicadas en varias etapas.
  • En la producción, control de procesos, selección y evaluación de compresores, diseño de gas, elaboración de productos, transporte, balance de energía en la línea de producción, cálculo de torres, entre otros, es aplicada por sus valiosos aportes para el hombre.
  • En los estudios que se han venido realizando se ha determinado que el plasma tiene una conductividad eléctrica infinita, y esto lo convierte en un medio idóneo en estos procesos magnéticos. Es de resaltar que en el área de astronomía también se implementa, específicamente en el análisis de las estrellas y demás integrantes del cosmos.

En la actualidad, según algunos científicos, éste resulta relevante ya que se centran en la idea de que es altamente aprovechable y permite innovar con respuestas energéticas que abren la oportunidad de avanzar hacia el futuro. Además, es acá donde se llega a la conclusión de por qué es valioso para la comprensión de cómo funcionan los reactores de fusión, en los que se implementa el encierro del campo magnético.

Para comprenderlo, podrías imaginar una taza de café en una terraza como estructura termodinámica. Ahora, para que ésta exista se debe tomar energía del universo y crearla, y este proceso es una combinación química-energética de los elementos.

Eso sí, también se ha invertido energía en la creación de ese espacio, con la finalidad de que la taza de café se ubique en ese lugar determinado. Para que esto se dé, se desplazó lo que había allí con anterioridad y se colocó el nuevo sistema desde el proceso de presión - volumen, generando la fuerza necesaria para su nacimiento. Como puede notarse, la entalpía es una definición energética que es usada por toda la humanidad.

Cómo citar:
"¿Qué es entalpía en termodinámica? - Propiedades de la reacción química". En Quees.com. Disponible en: https://quees.com/entalpia-termodinamica/. Consultado: 18-04-2024 10:21:56
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