3. La energía | 🔥 Termoquímica | Joseleg

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A diferencia de la materia, la energía no tiene masa y no puede mantenerse en nuestras manos “de hecho si alguien pudiera manifestar su ki “a la Dragon Ball” lo que aparecería en las manos no es energía, sino plasma, una forma de materia gaseosa ionizada con alta energía”.

A pesar de estos dilemas conceptuales, los efectos derivados de los intercambios energéticos pueden observarse y medirse. La energía es la capacidad de hacer trabajo o transferir calor. Antes de que podamos hacer uso de esta definición, debemos comprender los conceptos de trabajo y calor. El trabajo es la energía utilizada para hacer que un objeto se mueva contra una fuerza, y el calor es la energía utilizada para aumentar la temperatura de un objeto. Antes de examinar estas definiciones más de cerca, consideremos primero las formas en que la materia puede poseer energía y cómo esa energía puede transferirse de una pieza de materia a otra.

Energía cinética y potencial

Los objetos, ya sean pelotas de béisbol o moléculas, pueden poseer energía cinética, la energía del movimiento. La magnitud de la energía cinética, E_k, de un objeto depende de su masa, m y velocidad, u, no usaremos la v en el contexto químico debido a que se usa para el coeficiente estequiométrico:

Por lo tanto, la energía cinética de un objeto aumenta a medida que aumenta su velocidad. Por ejemplo, un automóvil que se mueve a 55 millas por hora (mi / h) tiene mayor energía cinética que a 25 millas / h. Para una velocidad dada, la energía cinética aumenta al aumentar la masa. Por lo tanto, un camión grande que viaja a 55 mi / h tiene mayor energía cinética que un sedán pequeño que viaja a la misma velocidad porque el camión tiene la mayor masa.

En química, estamos interesados en la energía cinética de los átomos y las moléculas. Aunque son demasiado pequeñas para ser vistas, estas partículas tienen masa y están en movimiento y, por lo tanto, poseen energía cinética.

Todos los demás tipos de energía, la energía almacenada en un resorte estirado, en un peso sostenido sobre su cabeza o en un enlace químico, por ejemplo, son energía potencial. Un objeto tiene energía potencial en virtud de su posición con respecto a otros objetos. La energía potencial es, en esencia, la energía "almacenada" que surge de las atracciones y repulsiones que un objeto experimenta en relación con otros objetos.

Estamos familiarizados con muchos casos en los que la energía potencial se convierte en energía cinética. Por ejemplo, piense en un ciclista en la cima de una colina Figura 3‑1). Debido a la fuerza de gravedad atractiva, la energía potencial del ciclista y su bicicleta es mayor en la cima de la colina que en la parte inferior. Como resultado, la bicicleta se mueve fácilmente cuesta abajo con mayor velocidad. Al hacerlo, la energía potencial se convierte en energía cinética. La energía potencial disminuye a medida que la bicicleta rueda cuesta abajo, pero su energía cinética aumenta a medida que aumenta la velocidad (Ecuación 3.1). Este ejemplo ilustra que las formas de energía son interconvertibles.

Figura 3‑1. Energía potencial y energía cinética. La energía potencial inicialmente almacenada en la bicicleta inmóvil y el ciclista en la cima de la colina se convierte en energía cinética a medida que la bicicleta se mueve cuesta abajo y pierde energía potencial.

Las fuerzas gravitacionales juegan un papel insignificante en la forma en que los átomos y las moléculas interactúan entre sí. Las fuerzas que surgen de las cargas eléctricas son más importantes cuando se trata de átomos y moléculas. Una de las formas más importantes de energía potencial en química es la energía potencial electrostática, E_i,el, que surge de las interacciones entre partículas cargadas. Esta energía es proporcional a las cargas eléctricas en los dos objetos que interactúan, Q₁  y Q₂, e inversamente proporcional a la distancia, ∆x, que los separa.

En esta ecuación, k es la constante de proporcionalidad, 8.99×10⁹ J m / C², que relaciona las unidades de energía con las unidades de carga eléctrica y su distancia de separación. (C) es el culombio, una unidad de carga eléctrica, y (J) es el julio, una unidad de energía que discutiremos pronto. A nivel molecular, las cargas eléctricas Q₁  y Q₂ son típicamente del orden de magnitud de la carga del electrón.

La ecuación 3.2 muestra que la energía potencial electrostática llega a cero cuando ∆x se vuelve infinita. Por lo tanto, el cero de energía potencial electrostática se define como la separación infinita de las partículas cargadas.

Figura 3‑2. Energía potencial electrostática. A distancias de separación finitas para dos partículas cargadas, E_el es positiva para cargas similares y negativa para cargas opuestas. A medida que las partículas se alejan más, su energía potencial electrostática se acerca a cero.

La Figura 3‑2 ilustra cómo se comporta E_el a medida que cambia la distancia entre dos cargas. Cuando Q₁  y Q₂ tienen el mismo signo (por ejemplo, ambos positivos), las dos partículas cargadas se repelen entre sí, y una fuerza repulsiva las separa. En este caso, la anguila es positiva, y la energía potencial disminuye a medida que las partículas se separan más. Cuando Q₁  y Q₂ tienen signos opuestos, las partículas se atraen entre sí, y una fuerza atractiva las atrae entre sí. En este caso, E_el sea negativa y la energía potencial aumenta (se vuelve menos negativa) a medida que las partículas se separan.

Uno de nuestros objetivos en química es relacionar los cambios de energía observados en el mundo macroscópico con la energía cinética o potencial de las sustancias a nivel molecular. Muchas sustancias, como los combustibles, por ejemplo, liberan energía cuando reaccionan. La energía química de un combustible se debe a la energía potencial almacenada en las disposiciones de sus átomos.

Cuando se quema un combustible, esta energía química se convierte en energía térmica, energía asociada con la temperatura. El aumento de la energía térmica surge del aumento del movimiento molecular y, por lo tanto, del aumento de la energía cinética.

Unidades de energía

La unidad SI para la energía es el joule (pronunciado "jool"), J, en honor de James Joule (1818-1889), un científico británico que investigó el trabajo y el calor: 1 J = 1 kg m²/s². Debido a que un joule no es una gran cantidad de energía, a menudo usamos kilojoules (kJ) para discutir las energías asociadas con las reacciones químicas.

Tradicionalmente, los cambios de energía que acompañan a las reacciones químicas se han expresado en calorías, una unidad no perteneciente al SI que todavía se usa ampliamente en química, biología y bioquímica. Una caloría (cal) se definió originalmente como la cantidad de energía requerida para elevar la temperatura de 1 g de agua de 14.5 a 15.5 ° C.

Una unidad de energía relacionada utilizada en nutrición es la Caloría nutricional (tenga en cuenta la C mayúscula).