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Química avanzada (AP Chemistry)
Curso: Química avanzada (AP Chemistry) > Unidad 6
Lección 1: Procesos endotérmicos y exotérmicosProcesos endotérmicos y exotérmicos
La primera ley de termodinámica relaciona el cambio en la energía interna de un sistema (ΔE) con el calor que se transfiere (q) y el trabajo que se realiza (w). Con presión constante, q es igual al cambio de entalpía (ΔH) de un proceso. Si ΔH es positiva, el proceso absorbe el calor de los alrededores y se dice que es endotérmico. Si ΔH es negativa, el proceso libera calor a los alrededores y se dice que es exotérmico. Los cambios de fase, las reacciones químicas y la formación de soluciones son ejemplos de procesos endotérmicos y exotérmicos. Creado por Jay.
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Transcripción del video
Antes de abordar los términos
endotérmico y exotérmico, necesitamos revisar algunos otros
términos utilizados en la termodinámica. Por ejemplo, sistema. El sistema hace referencia a la parte del universo que estamos
estudiando. Para nuestro ejemplo, vamos a considerar un gas monoatómico.
Digamos que tenemos algunas partículas de helio en un recipiente. Y el gas
helio representa nuestro sistema. Los alrededores o entorno son todo lo
demás en el universo. De modo que eso incluiría este pistón que tenemos aquí
y el cilindro en el que está contenido el gas. Y el universo consta tanto
del sistema como de los alrededores. A continuación, veamos la primera ley de la
termodinámica, que se puede resumir escribiendo delta E es igual
a q más W. Delta E es el cambio en la energía interna
del sistema. Y la energía interna se refiere a la suma de todas las energías cinéticas y
potenciales de los componentes del sistema. Dado que tenemos un gas monoatómico para
nuestro sistema, solo tenemos energía cinética. Entonces, si pudiéramos imaginar que sumamos la
energía cinética para cada partícula, la suma de esas energías cinéticas para este ejemplo
sería igual a la energía interna del sistema. q se refiere al calor que se
transfiere desde el sistema. Así que se transfiere tanto hacia
el sistema como desde el sistema. Y W se refiere al trabajo realizado en
el sistema o por el sistema. Veamos las convenciones de signos para
la primera ley de la termodinámica. Pensemos en q; cuando el calor fluye
hacia el sistema desde los alrededores, decimos que q es positiva. Cuando el calor sale del sistema hacia los
alrededores, decimos que q es negativa. Para el trabajo, cuando el trabajo se
realiza en el sistema por los alrededores, el trabajo es positivo. Pero si el
trabajo se realiza por el sistema en los alrededores, el trabajo es negativo. Es muy útil pensar en la energía
interna como una cuenta bancaria. De modo que si q es positivo
y el trabajo es positivo, eso sería como si el dinero
ingresara a la cuenta bancaria. Pero si q es negativa o el trabajo es negativo, eso sería como si el dinero
saliera de la cuenta bancaria. Veamos un ejemplo de la primera ley
de la termodinámica usando nuestra muestra de helio que se encuentra
en un cilindro con un pistón móvil. Digamos que fluyen 6,000 joules de
energía. Es decir, 6,000 joules fluyen desde los alrededores hacia el sistema. Y
eso calienta nuestras partículas de helio, que se expanden y empujan el pistón hacia arriba. Así que el pistón es empujado hacia arriba, los que significa que el sistema está
realizando un trabajo en los alrededores. Y digamos que son 2,000 joules de trabajo
realizado por el sistema en los alrededores. Usemos nuestras convenciones de
signos, ya que el calor fluye desde los alrededores hacia el sistema,
tenemos un valor positivo para q. Y debido a que el trabajo fue hecho
por el sistema en los alrededores, tenemos un valor negativo
para el trabajo realizado. Entonces podemos continuar y aplicar
la primera ley de la termodinámica. El calor transferido es igual a 6,000
joules positivos y el trabajo realizado es 2,000 joules negativos, por lo tanto delta E
o el cambio en la energía interna es igual a 4,000 joules positivos. Si pensamos en la energía interna
como si fuera una cuenta bancaria, hemos ganado 4,000 joules. De modo que
eso equivaldría a ganar 4,000 dólares. Ya que que el sistema ha ganado 4,000 joules, eso signfica necesariamente que los
alrededores han perdido 4,000 joules. Pero dado que la energía se conserva, la
energía total del universo permanece constante. Vamos a aplicar la primera ley de
la termodinámica a la combustión de propano y un recipiente
abierto a presión constante. Para la combustión de propano, consideramos
que los reactantes y los productos para la reacción de la combustión son considerados
el sistema y todo lo demás los alrededores. Así que esta reacción de combustión
desprende 2,044 kilojoules de energía. Por lo tanto, ese es el calor que se
transfiere desde el sistema a los alrededores. El sistema también realiza dos kilojoules
de trabajo en los alrededores. Entonces, por convención, hacemos que eso sea negativo. Para encontrar el cambio en la energía
interna del sistema, sumamos q más W y obtenemos menos 2,046 kilojoules. Dado que esta reacción se llevó a cabo
bajo presión externa constante, aquí podemos escribir q subíndice p.
q subíndice p es el calor que se transfiere a presión constante, y eso es igual al cambio en
la entalpía, que está simbolizado por delta H. Así que el cambio en la entalpía es el
calor que se transfiere a presión constante. El cambio de entalpía para la combustión del
propano es igual a menos 2,044 kilojoules. Y observemos cómo el cambio
de entalpía tiene casi el mismo valor que el cambio en la energía interna. De modo que el trabajo realizado por el sistema es igual a una cantidad muy pequeña
en este caso, y así suele ser. Y debido a que la mayoría de las
reacciones químicas se realizan bajo presión constante, los químicos se preocupan más por el cambio en la entalpía que
por el cambio en la energía interna. Cuando delta H es negativa, tenemos
un proceso exotérmico. Así que la combustión del propano es una reacción exotérmica. En un proceso endotérmico se transfiere
calor de los alrededores al sistema, de modo que el sistema gana
calor de los alrededores. El cambio de entalpía, delta
H, es positivo para un proceso endotérmico. Un ejemplo podría
ser derretir un cubo de hielo. Si el calor fluye del sistema a los alrededores, el sistema libera o desprende calor a
los alrededores, y el cambio de entalpía, delta H, es negativo. A esto lo
llamamos un proceso exotérmico. Ya vimos un ejemplo, la combustión del
propano es una reacción exotérmica. Entonces, un cambio de fase podría ser
un proceso endotérmico o exotérmico. Una reacción química también podría ser
un proceso endotérmico o exotérmico. Incluso la formación de una
solución podría clasificarse como un proceso endotérmico o exotérmico. Pensemos en preparar una solución.
Digamos que tenemos un vaso de precipitados lleno de agua, tomamos un sólido y
lo disolvemos en el agua para formar una solución. Si el proceso de disolución es un proceso
exotérmico, significa que el sistema libera calor a los alrededores. Y debido a que
el vaso forma parte de los alrededores, si ponemos la mano en el vaso de
precipitados y lo sentimos caliente, sabremos que la disolución de este sólido
en particular es un proceso exotérmico. Si hacemos lo mismo con otro sólido,
lo disolvemos en agua para formar una solución y ponemos nuestra mano en el vaso de
precipitados, y esta vez el vaso se siente frío, la razón por la que el vaso se siente
frío es porque la energía se transfirió de los alrededores al sistema, así que los
alrededores perdieron energía, entonces, podemos decir que la disolución de este sólido
en particular fue un proceso endotérmico.