¿Qué es la espontaneidad? – Definición, Tipos, Energía de Gibbs

La termodinámica es una disciplina de la física que estudia el calor, el trabajo y la temperatura, así como sus relaciones con la energía, la radiación y las características físicas de la materia. Los cuatro principios de la termodinámica regulan el comportamiento de estas cantidades, que proporcionan una descripción cuantitativa utilizando características físicas macroscópicas cuantificables pero pueden ser descritas por la mecánica estadística en términos de elementos microscópicos. La termodinámica se utiliza en una amplia gama de áreas de la ciencia y la ingeniería, incluidas la química física, la bioquímica, la ingeniería química y la ingeniería mecánica, así como en campos más sofisticados como la meteorología.

La termodinámica surgió del deseo de mejorar la eficiencia de las primeras máquinas de vapor, especialmente a través del trabajo del científico francés Nicolas Léonard Sadi Carnot (1824), quien sintió que aumentar la eficiencia del motor ayudaría a Francia a ganar las guerras napoleónicas. Lord Kelvin, un científico escocés-irlandés, fue el primero en definir la termodinámica de manera sucinta en 1854, afirmando: “La termodinámica es la ciencia de la conexión del calor con las fuerzas que operan entre porciones contiguas de sustancias, y la relación del calor con la acción eléctrica. .”

¿Qué es la espontaneidad?

La frase espontaneidad se refiere a la viabilidad de un proceso. Un proceso espontáneo es aquel que puede ocurrir por sí solo o como resultado de algún tipo de iniciación bajo ciertas condiciones. En otros términos, un proceso espontáneo es aquel que puede ocurrir sin ninguna intervención. Los procesos factibles o probables son otros nombres para los procesos espontáneos.

Algunos casos de la vida real de reacciones espontáneas:

• vaporización de agua
• El agua fluyó por la pendiente.
• El azúcar o la sal se disuelven en agua.

Tipos de procesos espontáneos

• Procesos que ocurren sin el requisito de un iniciador:
  • El azúcar forma una solución cuando se disuelve en agua.
  • La evaporación del agua de los cuerpos de agua.
  • El dirust de nitrógeno se forma cuando se combinan el rust nítrico y el oxígeno.
  • El yoduro de hidrógeno se forma cuando el hidrógeno y el yodo reaccionan.

H ₂ + I ₂ → 2HI

• Procesos que ocurren espontáneamente pero que requieren cierta iniciación:
  • El encendido inicia el proceso de encender una vela que está quemando cera.
  • El calor inicia el calentamiento del carbonato de calcio para producir rust de calcio y dirust de carbono. CaCO3 → CaO _{+ CO2}  
  • Se utilizó una chispa eléctrica para iniciar la reacción entre el hidrógeno y el oxígeno, lo que resultó en la formación de agua. 2H ₂ + O ₂   → 2H ₂ O
  • La ignición inicia la reacción entre el metano y el oxígeno, que produce dirust de carbono y agua. CH ₄ + 2O ₂   → CO ₂ + 2H ₂ O

Espontaneidad en términos de cambio de entropía

La entropía (S) de un sistema se define como una medida de su imprevisibilidad o desorden. La entropía aumenta a medida que aumenta la imprevisibilidad. El orden de aleatoriedad o entropía de sólido, líquido y gas es Gas > Líquido > Sólido.

• El cambio de entropía es positivo para procesos espontáneos en sistemas aislados (es decir, un sistema que no puede intercambiar materia o energía con su entorno).

Por ejemplo, mezclar dos gases cuando se abre la llave de paso, esparcir una gota de tinta en un vaso de precipitados lleno de agua, etc.

• El cambio de entropía total (Δs _tota l) debe ser positivo para procesos espontáneos en sistemas abiertos (es decir, un sistema que puede intercambiar materia y energía con el medio ambiente).

ΔS _total o ΔS _Universo =ΔS _sistema + ΔS _entorno >0

• Cuando una taza de té se enfría, el vapor de agua y la energía de la taza de té se intercambian con el medio ambiente.
• La entropía crece en todas las reacciones espontáneas hasta que se establece un equilibrio. Como resultado, en el equilibrio, la entropía es máxima y no hay más cambios en la entropía. es decir, ∆S=0. Por lo tanto, para un proceso en equilibrio, 

ΔS _total o ΔS _Universo =0

Segunda Ley de la Termodinámica y la Espontaneidad

En términos de la segunda ley de la termodinámica, la siguiente es la conexión entre la entropía y la espontaneidad:

• Termodinámicamente, todas las reacciones espontáneas o que ocurren espontáneamente son irreversibles. Los gases no reactivos, por ejemplo, reaccionan entre sí para aumentar la entropía de las moléculas constituyentes. Estos, sin embargo, no se pueden separar del resto de la combinación.
• Un proceso espontáneo no puede revertirse sin la ayuda de una entidad externa. La energía térmica puede pasar de un cuerpo caliente a su propio frío, pero no de un cuerpo frío a uno caliente a menos que el cuerpo frío se caliente primero.
• Para que un sistema aislado sea espontáneo en cierta dirección, su entropía debe crecer, es decir, 

_Sistema S >0 (Positivo)

• Debido a que el sistema aislado está bloqueado del resto del mundo, no es concebible ningún intercambio de energía. Para que sea espontáneo en este escenario, la entropía debe aumentar.
• La entropía total tanto del sistema como de su entorno debe crecer o ser positiva en un sistema no aislado.

ΔS _sistema +ΔS _entorno >0(Positivo)

entalpía

La entalpía, a menudo conocida como contenido de calor, se representa con la letra H. Bajo ciertas condiciones, la entalpía de un sistema se puede definir como la suma de su energía interna (U) y su energía de presión-volumen (PV).

H=U+PV

H es negativo en procesos exotérmicos (el sistema libera energía) y positivo en procesos endotérmicos (el sistema absorbe energía).

Energía de Gibbs

Para pronosticar la dirección de la espontaneidad, J. Willard Gibbs usó la frase «energía libre». La cantidad de energía disponible para realizar un trabajo productivo a temperatura y presión constantes se conoce como energía libre (G).

G=H–TS

H representa la entalpía del sistema, S la entropía del sistema y T la temperatura del sistema en la escala Kelvin.

La energía libre de Gibbs, G=H–TS

Sabemos que la entalpía, H=U + PV

Por lo tanto, G=U + PV-TS

Los cambios de energía libre de Gibbs se pueden representar como:

ΔG=ΔU+Δ(PV)–Δ(TS)

ΔG=ΔU+PΔV+VΔP–TΔS–SΔT

ΔT=0 y ΔP=0 si el cambio se realiza a temperatura y presión constantes.

Por lo tanto, ΔG=ΔU+PΔV–TΔS

Ya que, ΔH=ΔU+PΔV

ΔG=ΔH–TΔS

La ecuación ΔG=ΔH–TΔS se llama ecuación de Gibbs-Helmholtz.

Energía de Gibbs y espontaneidad: según la ecuación de Gibbs-Helmholtz, 

ΔG=ΔH–TΔS

ΔG debe ser negativo (ΔG<0) para que la respuesta sea espontánea. En las siguientes circunstancias, ΔG puede ser negativo:

• TΔS es positivo mientras que ΔH es negativo.
• TΔS y ΔH son ambos negativos. En esta situación, ΔH favorece el proceso espontáneo mientras que TΔS se opone. Si ΔH > TΔS, el proceso puede ser espontáneo.
• TΔS y ΔH son ambos positivos. TΔS está a favor del proceso espontáneo en esta situación, mientras que ΔH está en contra. Como resultado, si ΔH <TΔS, el proceso puede ser espontáneo.

El proceso no ocurre si ΔH es 0, o si el sistema está en equilibrio.

Efecto de la temperatura sobre la espontaneidad: ΔG=ΔH–TΔS, según la ecuación de Gibbs Helmholtz. La magnitud de H no varía mucho a medida que aumenta la temperatura, mientras que TΔS cambia mucho a medida que aumenta la temperatura.

• ΔH es positivo para procesos endotérmicos, mientras que ΔS es igualmente positivo. Como resultado, mientras que ΔH se opone a la reacción espontánea, TΔS la favorece. A bajas temperaturas, una reacción endotérmica puede no ser espontánea, pero a altas temperaturas puede ser espontánea.
• ΔH es negativo para procesos exotérmicos y ΔS también es negativo. Como resultado, mientras que ΔH favorece la reacción espontánea, TΔS se opone a ella. Por lo tanto, los procesos exotérmicos pueden ser espontáneos a bajas temperaturas y no espontáneos a altas temperaturas.

Ejemplos de preguntas

Pregunta 1: ¿Cuál es la diferencia entre espontaneidad y desorden?

Responder:

La frase espontaneidad se refiere a la viabilidad de un proceso. Un proceso espontáneo es aquel que puede ocurrir por sí solo o como resultado de algún tipo de iniciación bajo ciertas condiciones. La aleatoriedad o la entropía son otros términos para el desorden. La entropía (S) de un sistema se define como una medida de su imprevisibilidad o desorden. La entropía aumenta a medida que aumenta la imprevisibilidad.

Pregunta 2: ¿Qué es la espontaneidad?

Responder:

La frase espontaneidad se refiere a la viabilidad de un proceso. Un proceso espontáneo es aquel que puede ocurrir por sí solo o como resultado de algún tipo de iniciación bajo ciertas condiciones.

Ejemplo: Reacción entre hidrógeno y yodo para dar yoduro de hidrógeno.

H ₂ +I ₂ →2HI

Pregunta 3: ¿Cuál es la relación entre espontaneidad y entropía?

Responder:

La entropía del sistema aislado debe ser positiva para la espontaneidad. El cambio de entropía total (ΔS _total ) para procesos espontáneos en sistemas abiertos debe ser positivo.

ΔS _total o ΔS _Universo =ΔS _sistema +ΔS _entorno >0

Pregunta 4: ¿Cuáles son los tipos de espontaneidad?

Responder:

• Procesos que ocurren sin el requisito de un iniciador.
• Procesos que ocurren espontáneamente pero que requieren cierta iniciación.

Pregunta 5: ¿Qué es la espontaneidad de una reacción?

Responder:

La factibilidad de una reacción es su espontaneidad, es decir, si el proceso puede ocurrir por sí solo o con alguna iniciación, dado un conjunto de condiciones.