Fórmula de cambio de entropía

La termodinámica es el estudio de los cambios de energía que ocurren como resultado de las variaciones de temperatura y calor. También cubre el trabajo requerido para convertir la energía de una forma a otra. La ciencia de la termodinámica se rige por tres leyes, la segunda de las cuales abordaremos hoy. La segunda ley de la termodinámica analiza el concepto de entropía y establece que la entropía del universo aumenta constantemente. Según esta ley, la entropía del universo nunca puede ser negativa. Entonces, comprendamos mejor la entropía y el cambio de entropía.

entropía

La entropía es una medida de desorden o imprevisibilidad. La aleatoriedad podría aplicarse a todo el mundo, a una sola reacción química o incluso al transporte e intercambio de calor. El término desorden se refiere a la irregularidad o falta de uniformidad en un sistema termodinámico.
Debido a que el valor de la entropía o Cambio de Entropía depende de la sustancia presente en un sistema termodinámico, se usa la letra ‘S’ para representarla. La entropía es un concepto intrigante porque arroja dudas sobre la idea de una transferencia de calor completa. Ayuda en la reinterpretación de la segunda ley de la termodinámica.
La entropía es proporcional al grado de desorden en un proceso termodinámico; cuanto mayor sea el grado de desorden, mayor será la entropía.

Dicho de otro modo, la entropía nos muestra cuánta energía no se convierte en trabajo y en cambio contribuye al desorden del sistema. Es virtualmente imposible dedicar toda la energía de uno al trabajo porque la energía es lo que le permite a uno realizar el trabajo. Esto se mide por la entropía, una métrica.
La entropía no se puede describir en un solo punto y debe medirse como un cambio porque la regla de la termodinámica establece que la energía no se puede crear ni destruir, sino que se puede cambiar de una forma a otra. Es por esta razón que se calcula el Cambio de Entropía.

Cambio de entropía

El cambio de entropía se puede describir como un cambio en el estado de desorden de un sistema termodinámico causado por la conversión de calor o entalpía en trabajo. La entropía es mayor en un sistema con un alto grado de desorden.
La entropía es un factor de función de estado, lo que significa que su valor es independiente de la ruta del proceso termodinámico y es únicamente un determinante de los estados inicial y final del sistema. Los cambios de entropía en las reacciones químicas son causados ​​por el reordenamiento de átomos y moléculas, lo que altera el orden inicial del sistema. Esto puede resultar en un aumento o disminución de la aleatoriedad del sistema y, por lo tanto, en un aumento o disminución de la entropía.

Fórmula de cambio de entropía Termodinámica

El cambio de entropía de un sistema termodinámico se denota con la letra S. Usando la fórmula de cambio de entropía, podemos calcular el cambio de entropía de una reacción química o un sistema:

 ΔS = (Q/T)rev

Dónde,

La transferencia de calor hacia o desde el sistema termodinámico se denota por Q.

La temperatura absoluta se denota con la letra T.

La unidad SI de entropía J/Kmol.

Más sobre el cambio de entropía

Con el uso de una máquina de vapor, el científico Clausius desarrolló la noción de entropía e inventó el término entropía porque sonaba cercano a la palabra energía.

El siguiente cambio en la ecuación de entropía se puede usar para representar la fórmula de los cambios de entropía en el universo:

S _universo = S _sistema + S _entorno

Esta modificación en la fórmula de la entropía da una indicación de la espontaneidad de un proceso o una reacción química.

La entropía de un proceso espontáneo aumenta, dando como resultado que S _total sea mayor que cero.

Veamos ahora cómo cambia el cambio de entropía con varios procedimientos y condiciones:

Cambio de entropía con la temperatura

Usando la fórmula de cambio de entropía, es evidente que cuando la transferencia de calor ocurre a una temperatura más baja, el cambio de entropía es mayor, y cuando la transferencia de calor ocurre a una temperatura más alta, el cambio de entropía es mayor.

Cambio de entropía en un proceso reversible

 La definición de cambio de entropía se aplica a un proceso reversible en términos conceptuales. Como resultado, el cambio de entropía del proceso reversible es el mismo que se indicó anteriormente.

Cambios en la entropía en un proceso irreversible

 Desde un punto de vista práctico, no existe tal cosa como un proceso irreversible. Como se indicó anteriormente, la entropía está determinada únicamente por los estados inicial y final del sistema, independientemente de la ruta del proceso termodinámico. Como resultado, el cambio de entropía es independiente de la vía de los procesos tanto irreversibles como reversibles. Debido a que es un proceso no cuasi estático irreversible, este enfoque también se utiliza para calcular el cambio de entropía para un gas ideal.

Características de la entropía

Las siguientes son algunas de las características más esenciales de la entropía de un sistema termodinámico:

• La propensión del universo a gravitar hacia el desorden o la imprevisibilidad se conoce como entropía.
• La entropía es una función de la entalpía o la cantidad de calor que se puede transformar en trabajo.
• La masa de un sistema termodinámico afecta la entropía. Es una cualidad amplia ya que es independiente de la ruta de intercambio de calor o conversión de calor.
• La entropía del universo sigue aumentando.
• El proceso adiabático tiene entropía constante porque el cambio de entropía es cero.

Problemas de muestra

Pregunta 1: ¿Qué es el cambio de entropía y cómo te afecta? Definir.

Solución:

Entropía En un sistema termodinámico, el cambio es el fenómeno que mide el cambio en desorden o imprevisibilidad. Tiene que ver con la conversión de calor o entalpía que ocurre durante el trabajo. Cuando un sistema termodinámico tiene mucha aleatoriedad, tiene mucha entropía. La entropía es una función de estado, lo que implica que es independiente del camino tomado por el proceso termodinámico. El cambio de entropía ocurre cuando los átomos y las moléculas se reorganizan a partir de su estado inicial. Esto podría dar como resultado una disminución o un aumento en el desorden o la imprevisibilidad del sistema, lo que resultaría en una disminución o aumento de la entropía, respectivamente.

Pregunta 2: ¿Qué características están asociadas con la entropía?

Solución:

Las siguientes son algunas de las características relacionadas con la entropía:

La tendencia del universo a gravitar hacia la aleatoriedad se conoce como entropía.

También se conoce como función de calor o entalpía que se puede convertir en trabajo.

La entropía de un sistema termodinámico está determinada por su masa, por lo que es independiente del canal de intercambio de calor o de la conversión de calor. Esta es una gran propiedad inmobiliaria.

La entropía del universo sigue aumentando.

Un proceso adiabático tiene una entropía constante ya que el cambio de entropía es 0.

Pregunta 3: ¿Qué es la entropía de fusión?

Solución:

El aumento de entropía que ocurre cuando un sólido se convierte en líquido se conoce como entropía de fusión. La entropía crece a medida que cambia la fase debido a la libertad de movimiento. Es igual a la entalpía de fusión dividida por la temperatura de fusión. La fusión está conectada con la energía libre de Gibbs, que tiene un valor negativo a menos que ocurra, en cuyo caso siempre es positivo. El helio, por otro lado, tiene una entropía de fusión negativa a temperaturas inferiores a 0,3 K.

Pregunta 4: ¿Cuáles son las propiedades de la entropía?

Solución:

Las siguientes son algunas de las propiedades de la entropía:

1. Es un atributo amplio, lo que implica que depende únicamente de la masa de un sistema.
2. La entropía del universo siempre está en expansión.
3. La entropía de un sistema nunca puede ser cero.
4. La entropía de un sistema termodinámico adiabático permanece constante.
5. El cambio de entropía es inversamente proporcional a la temperatura, lo que significa que a medida que aumenta la temperatura, el cambio de entropía disminuye, mientras que a medida que baja la temperatura, el cambio de entropía aumenta.

Pregunta 5: A 70°C, una reacción química ocurre espontáneamente. ¿Cuál es el valor más pequeño de S para la reacción si el cambio de entalpía de la reacción es de 15 KJ?

Solución:

Porque la reacción ocurre a una temperatura constante. Como resultado, qrev = H = 15 KJ = 15000 J

T = 70 ^° C = (70 + 273)K = 343 ^° C

La siguiente fórmula calcula el cambio en la entropía:

ΔS = (Δq/T)rev = (ΔH/T)rev

ΔS = 15000/343

ΔS = 4,37JK- ¹ mol – ¹ .

Pregunta 6: ¿Cuál es el cambio de entropía para la conversión de un gramo de hielo en agua a 237 K y una presión atmosférica? ( _Fusión ΔH =6.435KJ/mol)

Solución:

_Fusión ΔH =6.435 ×1000J/mol 

_Fusión ΔH =6435/18 j/g

_Fusión ΔH = 357,5 j/g

ΔS _f  = (ΔH _fusión ) /T

ΔS _f = 357,5/273

ΔSf = 1,309JK- ₁ ^mol – ¹ .

Pregunta 7: A 0°C, ΔH ⁰ _fusión = 5 KJ/mol, ¿será el cambio de entropía para la congelación de un mol de hielo?

Solución:

_Fusión ΔH = 5 KJ/mol = 5000 J/mol

_Tf = 273K

ΔS _f = ΔH _fusión /T _f 

ΔS _f = 5000/273

ΔS _f = 18.31JK ^-1 mol ^-1

Pregunta 8: Calcule el cambio de entropía en los alrededores cuando se forma un mol de H ₂ O(l) en condiciones estándar a 284K. Dado Δ _r H ⁰ = -274 KJ mol ^-1 .

Solución:

H ₂ + 1/2 O ₂    ⇢ H ₂ O 

A 284 K, cuando se forma 1 mol de H ₂ O, se liberan 274 KJ de calor. La misma cantidad de calor es absorbida por el entorno.

q _surr = +274 KJ/mol 

T = 284K

ΔS _surr = q _surr /T

ΔS _surr = 274/284

ΔS _surr = 0,96 Jmol- ¹ K – ¹ .