Potenciales termodinámicos explicados de manera sencilla: aprende sobre energía, equilibrio y procesos termodinámicos y su importancia en la física.
Potenciales Termodinámicos: Energía, Equilibrio y Procesos
La termodinámica es una rama de la física que estudia los cambios en la energía y la materia. En este campo, los potenciales termodinámicos juegan un papel crucial, ya que permiten determinar el equilibrio de un sistema y predecir cómo responderá a los cambios en su entorno.
Los potenciales termodinámicos son funciones de estado que resumen la energía de un sistema en diferentes condiciones. Los cuatro potenciales principales son:
Energía Interna (U)
La energía interna es la energía total contenida en un sistema. Se debe a las energías cinética y potencial de las partículas que lo componen. En sistemas cerrados, la energía interna puede cambiar debido a la transferencia de calor (Q) y trabajo (W). La primera ley de la termodinámica se expresa como:
ΔU = Q - W
Esta ecuación dice que el cambio en la energía interna (ΔU) de un sistema es igual al calor añadido al sistema (Q) menos el trabajo realizado por el sistema (W).
Entalpía (H)
La entalpía es una medida de la energía total de un sistema, incluyendo tanto la energía interna como el trabajo de presión-volumen. Se define como:
H = U + pV
donde p es la presión y V es el volumen del sistema. La entalpía es útil en procesos a presión constante, como las reacciones químicas, ya que en estas condiciones, el cambio en entalpía (ΔH) es igual al calor transferido.
Energía Libre de Helmholtz (A)
La energía libre de Helmholtz, también conocida como función de Helmholtz, es útil para describir sistemas a volumen y temperatura constante. Se define como:
A = U - TS
donde T es la temperatura absoluta y S es la entropía del sistema. La energía libre de Helmholtz permite predecir si un proceso ocurrirá espontáneamente a volumen constante. Si ΔA es negativo, el proceso es espontáneo.
Energía Libre de Gibbs (G)
La energía libre de Gibbs es quizás el potencial termodinámico más conocido y utilizado. Es muy útil para describir procesos a presión y temperatura constantes, como los que se encuentran en la mayoría de las reacciones químicas biológicas y en la ingeniería de materiales. Se define como:
G = H - TS
o, equivalentes a otros términos:
G = U + pV - TS
De nuevo, T es la temperatura y S es la entropía. La ecuación de Gibbs es particularmente importante porque el cambio en energía libre de Gibbs (ΔG) determina si un proceso es espontáneo a presión y temperatura constantes. Si ΔG es negativo, el proceso ocurrirá de manera espontánea.
Condiciones de Equilibrio
Los potenciales termodinámicos se utilizan para determinar las condiciones de equilibrio de un sistema. En términos generales:
Estos criterios son esenciales en la termodinámica porque permiten predecir hacia dónde se desplazará un sistema cuando se altera alguna variable de estado.
Fórmulas y Derivaciones Importantes
Las ecuaciones arriba mencionadas tienen derivaciones y aplicaciones prácticas en diversas áreas de la física y la ingeniería. Por ejemplo, para un sistema cerrado con volumen constante, se puede usar la relación entre los distintos potenciales para derivar las siguientes identidades:
dU = TdS - pdV
Usando la relación entre H, U, y (pv), podemos obtener:
dH = TdS + Vdp
Y para A, usando su relación con U y (TS), tenemos:
dA = -SdT - pdV
Finalmente, para G, usando su relación con H y (TS):
dG = -SdT + Vdp
Estas ecuaciones diferenciales son fundamentales porque describen cómo cambian los potenciales termodinámicos en función de la temperatura, la entropía, la presión y el volumen.
Además, estas fórmulas ayudan a realizar cálculos más complejos sobre cambios de fase, reacciones químicas y otras transformaciones físicas.