Cambios de Entropía

Cambio de entropía: definición y significado

Aquí discutiremos los conceptos básicos de los cambios de entropía. Sin embargo, antes de entrar a discutir qué son los cambios de entropía, debemos definir la entropía propiamente dicha.

Entropía

¿Qué ocurre cuando se funde un sólido? Su temperatura aumenta, gracias a un cambio de entalpía. Pero también cambian su estructura y la disposición de las moléculas. Los átomos del sólido se mantienen unidos mucho más apretados que los del líquido, que en cambio pueden moverse libremente. Se podría decir que el sólido está relativamente ordenado, mientras que el líquido está extremadamente desordenado. Esto es un ejemplo de entropía.

Eldesorden puede ser una idea poco familiar. Otras palabras utilizadas para describir el concepto son aleatoriedad, incertidumbre y, sobre todo, caos. Aquí tienes dos ejemplos de entropía que te ayudarán a entenderla un poco mejor.

Entropía estándar

Empecemos ahora a pensar en la entropía estándar como concepto antes de pasar a los cambios de entropía. Podemos definir la entropía estándar como sigue

Cambio de entropía

Veamos ahora el cambio de entropía.

Ciertos tipos de reacciones van acompañadas de cambios de entropía específicos. Veamos un par de ejemplos para que comprendas cómo puede cambiar la entropía durante una reacción química, observando las características del cambio de entropía. Esto te ayudará a predecir el cambio de entropía con sólo mirar una ecuación química.

Características del cambio de entropía

A continuación, describiremos algunos fenómenos estándar que se producen en relación con los cambios de entropía durante diferentes reacciones.

Cambio de estado

En primer lugar, piensa en las reacciones químicas que implican un cambio de estadode la materia. Las reacciones suelenaumentar o disminuir la ent ropía en función del cambio de estado.

Observa la conversión del agua de su estado sólido (un copo de nieve, por ejemplo) a su estado líquido (un charco de agua derretida):

$$H_2O(s) \rightarrow H_2O(l)$$

En la reacción anterior, pasas de un sólido a un líquido. El sólido tiene una organización fija de moléculas que le da su forma, mientras que en un líquido, las moléculas pueden moverse de forma libre y desordenada. En este ejemplo, la entropía ha aumentado. Si el líquido se convirtiera en gas, las moléculas podrían moverse aún más libremente y, por tanto, la entropía aumentaría aún más. Puedes echar un vistazo a la siguiente figura para tener una comprensión más visual de este tema:

Fig. 2 - Imagen que muestra el cambio de estado del hielo al agua. Aquí, la entropía aumenta.StudySmarter Originals

Podemos concluir que la entropía de los distintos estados de la materia aumenta al pasar del sólido al líquido y al gas. El aumento de la entropía se debe al desorden creciente entre las moléculas de los distintos estados:

• Los sólidos tienen la entropía más baja porque sus partículas se mantienen en una disposición ordenada.
• Los líquidos suelen tener mayor entropía porque sus partículas pueden moverse de forma más aleatoria.
• Los gases tienen la entropía más alta de los tres, por un margen significativo, porque sus partículas son libres de moverse como quieran, de forma totalmente desordenada...

Todos los cambios físicos de estado se caracterizan por cambios de entropía positivos (un aumento de la entropía) o negativos (una disminución de la entropía). Puedes ver los cambios de entropía de los procesos físicos en la tabla siguiente:

En general: las reacciones que presentan fusión, ebullición o sublimación suelen tener un cambio de entropía positivo, mientras que las reacciones que presentan congelación o condensación tienen un cambio de entropía negativo.

Cambio de temperatura

Del mismo modo, piensa en lo que ocurre con la entropía de un sistema si aumentas su temperatura pero no cambias el estado de las sustancias que contiene. El calentamiento proporciona a las partículas del sistema más energía cinética. Esto significa que, en el caso de los sólidos, las partículas vibran en el lugar más rápidamente, mientras que en el caso de los líquidos y los gases, las partículas se mueven más rápidamente. En ambos casos, aumenta el desorden del sistema. Por tanto, si aumenta la temperatura de un sistema, aumenta su entropía.

En general: las reacciones endotérmicas presentan un cambio de entropía positivo.

Cambio en el número de moles

Otra causa de un cambio de entropía es el cambio en el número de moles durante una reacción química. En concreto, nos fijamos en el número de moles de gas porque los gases tienen entropías significativamente mayores que los sólidos y los líquidos. Los sistemas que contienen más moles de gas tienden a tener una entropía mayor que los que tienen menos moles de gas.

En general: las reacciones que contienen un mayor número de moles de gases en los productos que en los reactantes suelen tener un cambio de entropía positivo.

Resumen

La siguiente tabla resume los cambios generales de entropía que caracterizan a determinados tipos y características de las reacciones químicas:

Fórmula del cambio de entropía

Ahora deberías ser capaz de observar una reacción química y predecir el cambio de entropía que se produce en el sistema. En la siguiente sección exploraremos una fórmula que puedes utilizar para calcular cuantitativamente este cambio de entropía. Asegúrate de repasar nuestros ejemplos a medida que avanzas: ¡necesitas conocer este tema a fondo!

Echa un vistazo a la siguiente fórmula:

Delta S^circ _{sistema} = suma S^circ _{productos} - suma S^circ _{reactantes}$$

El resumen básico de la fórmula anterior es similar al de cualquier reacción termodinámica con la que te encuentres. Básicamente afirma que el cambio global de entropía de una reacción es igual a la entropía absoluta total de todos los productos, menos la entropía absoluta total de todos los reactantes. Pongamos un ejemplo para ver cómo tratar esta fórmula.

Cambios de entropía en un proceso irreversible

Antes de terminar, vamos a explorar otras dos ideas relacionadas con los cambios de entropía. Empezaremos con los cambios de entropía en procesos irreversibles y reversibles.

Al hablar de entropía, podemos considerar dos tipos de procesos: reversibles e irreversibles.

Pero, ¿qué tiene que ver la reversibilidad con la entropía? Pues tiene que ver con la segunda ley de la termodinámica.

Considera de nuevo las reacciones reversibles e irreversibles. La entropía es una función de estado, lo que significa que la entropía total de un determinado sistema debería ser siempre la misma, independientemente de cómo se llegue a ese sistema. Pero sabemos que para cualquier reacción, sea reversible o irreversible, la entropía total no puede disminuir. Esto significa que si pasar de reactantes a productos aumenta la entropía total, entonces no puedes volver de productos a reactantes. Así pues, las reacciones con un cambio de entropía total positivo son irreversibles: la entropía total aumenta durante una reacción irreversible. Decimos que estas reacciones son espontáneas.

Sin embargo, si al pasar de los reactantes a los productos no se produce ningún cambio total de entropía, entonces puedes volver de los productos a los reactantes. Eso significa que la reacción es reversible. Así pues, las reacciones reversibles tienen un cambio de entropía total de 0 J ^{mol-1 K-1}: la entropía total no cambia durante una reacción reversible.

Cambio de entropía de los gases ideales

Por último, puede que te interesen los cambios de entropía de los gases ideales. Por ejemplo, ¿en qué se diferencia el cambio de entropía de los gases ideales de los gases reales? Te ayudará considerar la definición de un ga ideal como.

Trabajar con gases ideales suele ser mucho más sencillo que hacerlo con gases reales, porque podemos ignorar los efectos de fenómenos difíciles de calcular, como las interacciones entre partículas. De hecho, el comportamiento de los gases ideales suele poder deducirse únicamente a partir de una simple ecuación:

$$PV=nRT$$

El cálculo de los cambios de entropía de los gases ideales es mucho más sencillo que el de los gases reales precisamente por esta razón. Por ejemplo, podemos calcular fácilmente el cambio de entropía de un gas ideal que se expande de un lado a otro, y por tanto cambia de presión, utilizando sólo n, R y los volúmenes inicial y final. Verás que la entropía de un gas ideal aumenta a medida que aumenta su volumen.

Además, los gases ideales siempre tienen unaentropía absoluta mayor que los gases reales, debido a la falta de interacciones entre las partículas.

Ahora que comprendes distintos aspectos de los cambios de entropía, deberías estar preparado para abordar cálculos de entropía de la vida real, así como para predecir el cambio de entropía que se produce en distintas situaciones y procesos.