Propiedades en Exceso: Una mirada a la termodinámica clásica y su aplicación para entender sistemas complejos y predecir comportamientos en ingeniería.
Propiedades en Exceso | Una Mirada a la Termodinámica Clásica y su Utilidad
La termodinámica clásica es una rama fundamental de la física que se ocupa de la energía y su transformación en sistemas macroscópicos. Una de las herramientas más útiles en este campo son las propiedades en exceso, que nos permiten entender y predecir el comportamiento de mezclas y soluciones reales. En este artículo, exploraremos qué son estas propiedades, cómo se calculan y su importancia en aplicaciones prácticas.
Conceptos Básicos
Las propiedades en exceso son cantidades termodinámicas que nos ayudan a describir el comportamiento no ideal de una mezcla en comparación con su comportamiento ideal. En una mezcla ideal, las interacciones entre las moléculas de los componentes son similares a las interacciones en las sustancias puras, lo que significa que seguirían estrictamente las leyes de Raoult y Dalton. Sin embargo, muchas mezclas no se comportan de manera ideal debido a interacciones moleculares específicas.
Para cuantificar la desviación de una mezcla de su comportamiento ideal, se utilizan las propiedades en exceso como:
- Volumen en exceso (Ve)
- Energía libre de Gibbs en exceso (Ge)
- Entropía en exceso (Se)
- Energía libre de Helmholtz en exceso (Ae)
- Entalpía en exceso (He)
Teorías y Modelos Utilizados
La evaluación de las propiedades en exceso se basa en teorías y modelos específicos que nos permiten calcular estas cantidades para diversas mezclas. Las dos principales teorías son la teoría de soluciones disponibles y la teoría de mezclas regulares.
Teoría de Soluciones Disponibles:
En esta teoría, se asume que cada componente de la mezcla contribuye independientemente al comportamiento termodinámico del sistema. Las propiedades en exceso se determinan comparando las propiedades reales de la mezcla con las propiedades ideales, definidas como la suma de las propiedades parciales molares de los componentes puros ponderadas por sus fracciones molares.
Teoría de Mezclas Regulares:
La teoría de mezclas regulares propone que las desviaciones del comportamiento ideal se deben exclusivamente a las diferencias en las energías de interacción entre las moléculas. Este modelo es particularmente útil en sistemas donde los componentes tienen polaridades o tamaños moleculares significativamente diferentes.
Formulas para las Propiedades en Exceso
A continuación, se presentan las ecuaciones básicas para algunas propiedades en exceso:
Volumen en exceso (Ve):
El volumen en exceso se define como la diferencia entre el volumen de una mezcla real y el volumen de una mezcla ideal a la misma temperatura y presión.
\(
V_e = V_{\text{real}} – V_{\text{ideal}}
\)
Donde el volumen ideal es dado por:
\(
V_{\text{ideal}} = \sum X_i V_i
\)
Aquí, \(X_i\) es la fracción molar del componente \(i\) y \(V_i\) es el volumen molar del componente puro \(i\).
Entalpía en exceso (He):
La entalpía en exceso es la diferencia entre la entalpía de una mezcla real y la entalpía de una mezcla ideal a la misma temperatura y presión.
\(
H_e = H_{\text{real}} – H_{\text{ideal}}
\)
Y la entalpía ideal se calcula como:
\(
H_{\text{ideal}} = \sum X_i H_i
\)
donde \(H_i\) es la entalpía molar del componente puro \(i\).
Energía libre de Gibbs en exceso (Ge):
La energía libre de Gibbs en exceso se puede derivar del comportamiento de la energía libre de Gibbs de la mezcla real e ideal:
\(
G_e = G_{\text{real}} – G_{\text{ideal}}
\)
Con:
\(
G_{\text{ideal}} = \sum X_i G_i
\)
donde \(G_i\) es la energía libre de Gibbs molar del componente puro \(i\).
La energía libre de Gibbs en exceso es particularmente útil porque está relacionada con el coeficiente de actividad, que mide la desviación de la actividad química de un componente en una mezcla con respecto a su idealidad.
Importancia en Aplicaciones Prácticas
Las propiedades en exceso tienen una importancia crucial en una variedad de campos, incluyendo la ingeniería de procesos, la química industrial y la ciencia de materiales. Al comprender cómo las mezclas reales difieren del comportamiento ideal, los ingenieros y científicos pueden diseñar y optimizar procesos industriales más eficientes.
Por ejemplo, en la industria petroquímica, las mezclas complejas de hidrocarburos son comunes, y saber cómo estas mezclas se comportan puede contribuir a la optimización de la operación de refinerías para maximizar la producción de productos deseados como gasolina o diesel. En la industria farmacéutica, entender las propiedades en exceso puede ayudar en la formulación de medicamentos y el diseño de solventes para procesos de síntesis y purificación.
En la segunda parte de este artículo, exploraremos ejemplos concretos de propiedades en exceso en acción, así como herramientas computacionales comunes utilizadas para calcularlas.