6. Entalpía | 🔥 Termoquímica | Joseleg

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 Los cambios químicos y físicos que ocurren a nuestro alrededor, como la fotosíntesis en las hojas de una planta, la evaporación del agua de un lago o una reacción en un vaso abierto en un laboratorio, ocurren bajo la presión esencialmente constante de la atmósfera de la Tierra. Estos los cambios pueden provocar la liberación o absorción de calor y pueden ir acompañados de un trabajo realizado por el sistema o sobre él. Al explorar estos cambios, es útil tener una función termodinámica que es una función de estado y se relaciona principalmente con el flujo de calor. En condiciones de presión constante, una cantidad termodinámica llamada entalpía (del griego enthalpeína, "calentar") cumple dicha función.

La entalpía, que denotamos con el símbolo H, se define como la energía interna más el producto de la presión, P y el volumen, V, del sistema:

Esto se debe a que el ambiente mismo posee una energía subyacente que resulta de multiplicar la presión por el volumen. Recuerde que esto está vinculado a la relación entre julios atmósferas y litros:

Al igual que la energía interna E_i, tanto P_i como V_i son funciones de estado: dependen solo del estado actual del sistema y no de la ruta tomada a ese estado. Debido a que la energía, la presión y el volumen son funciones de estado, la entalpía también es una función de estado.

Presión volumen y trabajo

Para comprender mejor la importancia de la entalpía, recuerde de la Ecuación

… que ∆E involucra no solo el calor Q agregado o eliminado del sistema, sino también el trabajo realizado por o en el sistema. Más comúnmente, el único tipo de trabajo producido por cambios químicos o físicos abiertos a la atmósfera es el trabajo mecánico asociado con un cambio en el volumen. Por ejemplo, cuando la reacción de zinc metálico con solución de ácido clorhídrico:

… se ejecuta a presión constante en el aparato ilustrado en la Figura 6‑1, el pistón se mueve hacia arriba o hacia abajo para mantener una presión constante en el recipiente.

Figura 6‑1. Un sistema que funciona en su entorno, este es mi experimentales una modificación de el manómetro de Huygens, en la cual la presión del sistema va a cambiar debido a la reacción química entre el cine metálico y el ácido clorhídrico, el cual al liberar hidrógeno, aumenta la presión, y al aumentar la presión se genera trabajo sobre los alrededores.

Si suponemos por simplicidad que el pistón no tiene masa, la presión en el aparato es la misma que la presión atmosférica. A medida que avanza la reacción, se forma gas H₂ y el pistón sube. El gas dentro del matraz está haciendo trabajo en los alrededores al levantar el pistón contra la fuerza de la presión atmosférica.

El trabajo involucrado en la expansión o compresión de gases se llama trabajo presión-volumen (trabajo P – V). Cuando la presión es constante en un proceso, como en nuestro ejemplo anterior, el signo y la magnitud del trabajo de presión-volumen están dados por:

…donde  es presión y…

… es el cambio en el volumen del sistema. La presión P_i es siempre un número positivo o cero. Si el volumen del sistema se expande, entonces ∆V_i también es positivo. El signo negativo en la Ecuación 6.5 es necesario para cumplir con la convención de signos para W.

👉 Cuando un gas se expande, el sistema funciona en los alrededores, como lo indica un valor negativo de W. Por otro lado…

👉 cuando el gas está comprimido, ∆V es negativo (el volumen disminuye), y la Ecuación 6.5  indica que W es positivo, lo que significa que el trabajo se realiza en el sistema por los alrededores.

Las unidades de trabajo obtenidas mediante el uso de la Ecuación 6.5 serán las de presión (generalmente atm) multiplicadas por las de volumen (generalmente L). Para expresar el trabajo en la unidad de julios más familiar, utilizamos el factor de conversión 1 L atm = 101.3 J.

👉Enunciado: Cierto gas se expande en volumen de 2.0 L a 6.0 L a temperatura constante. Calcule el trabajo realizado por el gas si se expande (a) contra el vacío y (b) contra una presión constante de 1.2 atm // Pulse aquí.

👉Enunciado: Un gas se expande de 264 mL a 971 mL a temperatura constante. Calcule el trabajo realizado (en julios) por el gas si se expande (a) contra el vacío y (b) contra una presión constante de 4.00 atm // Pulse aquí.

👉Enunciado: Una muestra de nitrógeno gaseoso se expande en volumen de 1.6 L a 5.4 L a temperatura constante. Calcule el trabajo realizado en julios si el gas se expande (a) contra el vacío, (b) contra una presión constante de 0.80 atm y (c) contra una presión constante de 3.7 atm // Pulse aquí.

👉Enunciado: Un gas se expande en volumen de 26.7 mL a 89.3 mL a temperatura constante. Calcule el trabajo realizado (en julios) si el gas se expande (a) contra el vacío, (b) contra una presión constante de 1.5 atm y (c) contra una presión constante de 2.8 atm // Pulse aquí.

👉Enunciado: Un gas se expande y hace un trabajo P-V en el entorno igual a 325 J. Al mismo tiempo, absorbe 127 J de calor del entorno. Calcula el cambio de energía del gas // Pulse aquí.

👉Enunciado: El trabajo realizado para comprimir un gas es 74 J. Como resultado, se emiten 26 J de calor al entorno. Calcula el cambio de energía del gas // Pulse aquí.

El cambio de energía interna

👉Enunciado: Hallar una función que permite calcular el cambio de energía de un cilindro de émbolo móvil si este permite el flujo de calor y el cambio de volumen // Pulse aquí.

Tenga en cuenta que en este enunciado la presión y los volúmenes corresponden al sistema, por lo que bien podríamos tener un sistema de mezcla de varios gases, y por ende, debemos tener en cuenta la posibilidad de aplicar la ley de presiones parciales de Dalton.

Trabajo hecho por una reacción química

Si tenemos una reacción química tendremos que el volumen inicial estará dado por la suma de volúmenes de los reactivos, mientras que el volumen final por la suma de volúmenes de los productos. Asi que ¿Cuál es la función que permite determinar el trabajo de una reacción química donde hay gases?

👉Enunciado: Hallar una función que permite calcular el trabajo hecho por una reacción química que involucra gases. Asuma que conoce la cantidad de sustancia de alguno de los reactivos o productos, que todas las demás sustancias se encuentran en cantidades exactas para tener una mezcla estequiométrica, que conocemos la presión, y la temperatura // Pulse aquí.

👉Enunciado: Calcule el trabajo realizado cuando 50.0 g de estaño se disuelven en exceso de ácido a 1.00 atm y 25 ° C: Sn (s) + 2H⁺ (aq) → Sn²⁺ (aq) + H₂ (g) Suponga el comportamiento del gas ideal // Pulse aquí.

👉Enunciado: Calcule el trabajo realizado en julios cuando 1.0 mol de agua se vaporiza a 1.0 atm y 100 °C. Suponga que el volumen de agua líquida es insignificante en comparación con el del vapor a 100 ° C y el comportamiento del gas ideal // Pulse aquí.