Entalpía: Concepto y Fundamentos
La entalpía (del prefijo en y del griego enthalpos, ενθαλπος, que significa ‘calentar’) es una magnitud termodinámica, simbolizada con la letra H, cuya variación expresa una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico; es decir, la cantidad de energía que un sistema puede intercambiar con su entorno.
En la historia de la termodinámica se han utilizado distintos términos para denotar lo que hoy conocemos como entalpía de un sistema. Originalmente, se pensó que la palabra ‘entalpía’ fue creada por Émile Clapeyron y Rudolf Clausius a través de la publicación de la relación de Clausius-Clapeyron en The Mollier Steam Tables and Diagrams de 1827. Sin embargo, el primero que definió y utilizó el término ‘entalpía’ fue el holandés Heike Kamerlingh Onnes, a principios del siglo XX.
En términos más concretos, es una función de estado de la termodinámica cuya variación permite expresar la cantidad de calor puesta en juego durante una transformación isobárica (es decir, a presión constante) en un sistema termodinámico (considerando que todo objeto conocido puede ser entendido como un sistema termodinámico). Durante esta transformación, el sistema puede recibir o aportar energía (por ejemplo, la utilizada para un trabajo mecánico). En este sentido, la entalpía es numéricamente igual al calor intercambiado con el ambiente exterior al sistema en cuestión.
Usualmente, la entalpía se mide, dentro del Sistema Internacional de Unidades, en julios.
Tipos de Entalpía
El caso más típico de entalpía es la llamada entalpía termodinámica. De esta, cabe distinguir:
- La función de Gibbs, que se corresponde con la entalpía libre.
- La entalpía molar, que es aquella que representa un mol de la sustancia constituyente del sistema.
Entropía: Medida de la Irreversibilidad
La entropía (simbolizada como S) es una magnitud física que permite, mediante cálculo, determinar la parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo. Es una función de estado de carácter extensivo y su valor, en un sistema aislado, crece en el transcurso de un proceso que se dé de forma natural. La entropía describe la irreversibilidad de los sistemas termodinámicos.
La palabra entropía procede del griego ἐντροπία, que significa ‘evolución’ o ‘transformación’. Fue Rudolf Clausius quien le dio nombre y la desarrolló durante la década de 1850, y Ludwig Boltzmann quien encontró la manera de expresar matemáticamente este concepto desde el punto de vista de la probabilidad.
Termodinámica: Estudio de la Energía y el Equilibrio
La termodinámica (del griego θερμo-, termo, que significa ‘calor’, y δύναμις, dínamis, que significa ‘fuerza’) es la rama de la física que describe los estados de equilibrio a nivel macroscópico.
Constituye una teoría fenomenológica que, a partir de razonamientos deductivos, estudia sistemas reales sin modelizar y sigue un método experimental.
Magnitudes Fundamentales en Termodinámica
Los estados de equilibrio son estudiados y definidos por medio de diversas magnitudes:
- Magnitudes extensivas: como la energía interna, la entropía, el volumen o la composición molar del sistema.
- Magnitudes no extensivas: derivadas de las anteriores, como la temperatura, la presión y el potencial químico.
- Otras magnitudes: como la imanación, la fuerza electromotriz y las asociadas con la mecánica de los medios continuos en general, también pueden ser tratadas por medio de la termodinámica.
Estados de Equilibrio y Procesos Termodinámicos
Es importante recalcar que la termodinámica ofrece un aparato formal aplicable únicamente a estados de equilibrio, definidos como aquel estado hacia ‘el que todo sistema tiende a evolucionar y caracterizado porque en el mismo todas las propiedades del sistema quedan determinadas por factores intrínsecos y no por influencias externas previamente aplicadas’.
Tales estados terminales de equilibrio son, por definición, independientes del tiempo. Todo el aparato formal de la termodinámica —todas las leyes y variables termodinámicas— se define de tal modo que podría decirse que un sistema está en equilibrio si sus propiedades pueden ser descritas consistentemente empleando la teoría termodinámica.
Los estados de equilibrio son necesariamente coherentes con los contornos del sistema y las restricciones a las que esté sometido. Por medio de los cambios producidos en estas restricciones (es decir, al retirar limitaciones como impedir la expansión del volumen del sistema, impedir el flujo de calor, etc.), el sistema tenderá a evolucionar de un estado de equilibrio a otro. Comparando ambos estados de equilibrio, la termodinámica permite estudiar los procesos de intercambio de masa y energía térmica entre sistemas térmicos diferentes.
Esencia de la Termodinámica
Para una mayor comprensión, se especifica que calor significa ‘energía en tránsito’ y dinámica se refiere al ‘movimiento’; por lo que, en esencia, la termodinámica estudia la circulación de la energía y cómo esta infunde movimiento.
Históricamente, la termodinámica se desarrolló a partir de la necesidad de aumentar la eficiencia de las primeras máquinas de vapor.