PILAS NUCLEARES

CONCEPTO DE PILA

Generalmente, una pila es un dispositivo que convierte energía química en energía eléctrica por medio de una reacción química que tiene como fin el transporte de electrones, tras lo cual cesa su actividad y han de renovarse sus elementos constituyentes al quedar sus características alteradas durante el proceso. Se trata de un generador primario.

Básicamente consisten en dos electrodos metálicos sumergidos en un líquido, sólido o pasta, el electrolito, que es un conductor de iones.

Cuando los electrodos reaccionan con el electrolito, en uno de ellos (el ánodo) se producen electrones (oxidación), y en el otro (cátodo) se produce un defecto de los mismos (reducción). Cuando los electrones sobrantes del ánodo pasan al cátodo a través de un conductor externo a la pila, se genera una diferencia de potencial.

La estructura fundamental de una pila consiste en dos electrodos, metálicos en muchos casos, introducidos en una disolución conductora de la electricidad o electrolito

DEFINICIÓN E HISTORIA

Consisten en dispositivos que usan las emisiones de un isótopo radioactivo para generar electricidad. Al igual que los reactores nucleares, estas baterías generan electricidad a partir de la energía atómica, pero se diferencian de ellos en que no usan una reacción en cadena.  Son muy costosos, en comparación con otras pilas más económicas y accesibles, pero tienen una vida útil muy larga y una gran densidad de energía. Por ello se usan generalmente en equipos que deben funcionar sin ser atendidos durante largos períodos de tiempo, como son las naves espaciales y las estaciones científicas automáticas.

Las baterías atómicas, como ya se ha dicho anteriormente, usan radioisótopos que pueden producir partículas beta de baja energía o partículas alfa con diferentes energías, siendo lo más habitual la emisión de partículas beta de baja energía. Éstas son necesarias para prevenir la producción de radiación penetrante muy energética ("radiación de frenado" o bremsstrahlung), lo cual precisaría el empleo de blindajes pesados. Así, han probado radioisótopos como el tritio, níquel-63, prometio-147, curio-242, curio-244 y estroncio-90, de los cuales está teniendo, actualmente, mayor importancia el tritio (isótopo natural del hidrógeno

La tecnología de baterías nucleares comenzó en 1913, cuando Henry Moseley probó la célula Beta, y recibió una atención considerable para aplicaciones que requieren fuentes de energía de larga duración (usos aeroespaciales durante los años 50 y 60). A lo largo de los años se han ido desarrollado muchos tipos y métodos. Los principios científicos son ya más que conocidos, mas la progresiva investigación, la primeriza nanotecnología y los nuevos semiconductores de banda ancha han creado nuevos dispositivos, así como propiedades materiales que no estaban a nuestro alcance anteriormente.

Actualmente se están desarrollando baterías que usan la energía de la desintegración de los radioisótopos para proporcionar energía durante largos períodos de tiempo (entre 10 y 20 años). Para ello, requiere una especial atención el hecho de aprovechar al máximo la energía desprendida en el choque de isótopos. Así las técnicas de conversión se pueden agrupar en dos tipos: térmica y no térmica:

Los conversores térmicos (cuya potencia de salida depende de una diferencia de temperatura) incluyen generadores termoeléctricos y termoiónicos.

Los conversores no térmicos (cuya potencia de salida es independiente de una diferencia de temperatura), empero, extraen una fracción de la energía  incidente del isótopo cuando se transforma en calor, en lugar de utilizar la energía térmica para mover electrones en un circuito. 

Las baterías atómicas tienen generalmente una eficiencia desde 0.1 hasta el 5%. Los generadores betavoltaicos por su parte, tienen entre un 6 y 8%.

TÉCNICAS DE CONVERSIÓN TÉRMICA

Conversor termoiónico 

Consiste en un electrodo caliente que emitiría electrones hacia otro más frío, produciéndose con ello potencia eléctrica útil. Se usa vapor de cesio para optimizar el funcionamiento de los electrodos durante la reacción.

Generadores termoeléctricos
Es una conexión en serie de termopares, que convierten el calor liberado por la desintegración de un material radioactivo en electricidad usando el efecto Seebeck, que consiste en la generación de una diferencia de temperatura debida a un voltaje eléctrico cuando una corriente se hace pasar por dos metales o semiconductores conectados por dos “junturas de Peltier” produciéndose finalmente una transferencia de calor de una juntura a la otra: una se enfría en tanto que otra se calienta. Los termopares metálicos no son muy eficientes en la conversión temperatura-electricidad. Sin embargo, usando materiales semiconductores como el telurio de bismuto o el silicio-germanio, se consiguen eficiencias mayores. Alcanzan un rendimiento de hasta un 10%.

Células termofotovoltáicas 

Usan el mismo principio que las células fotovoltaicas, a excepción de que convierten la luz infrarroja emitida por una superficie caliente, en electricidad, y no la luz visible. Las células termofotovoltaicas son ligeramente más eficientes que los pares termoeléctricos y se pueden combinar con ellos, doblando, en principio la eficiencia.

Conversores termoeléctricos AMTEC (Alkali-Metal Thermal to Electric Converter) 

Son sistemas electroquímicos basados en el electrolito usado en las baterías de sodio-sulfuro, β-alumina. El dispositivo es una celda de concentración de sodio que usa un electrolito sólido, cerámico, policristalino de β-alumina, como separador entre una zona de alta presión que contiene vapor de sodio a 900 - 1300 K y una zona de baja presión que contiene un condensador para sodio líquido a 400 - 700 K. La eficiencia de las celdas AMTEC alcanza un 16% en el laboratorio y se predice que pueden alcanzar un 20%. Así, esta técnica se convertiría en la más eficiente de las cuatro ya mencionadas.

TÉCNICAS DE CONVERSIÓN NO TÉRMICAS

Los conversores no térmicos extraen una fracción de la energía nuclear al producirse calor en la desintegración nuclear. La salida no depende de las diferencias de temperatura como en los conversores termoeléctricos y termoiónicos. Se pueden agrupar en tres clases:

Generadores de carga directa
En el primer tipo, los generadores principales consisten en un condensador que se carga por la corriente de las partículas cargadas de una capa radiactiva depositada en uno de los electrodos. El espacio entre los electrodos suele ser el vacío. Se pueden utilizar partículas con carga negativa (partículas beta) o positiva (partículas alfa). Aunque esta forma de generador nuclear-eléctrico se remonta a 1913, lo altos voltajes y muy bajas corrientes que proporciona hacen que se hayan desarrollado pocas aplicaciones anteriormente. Actualmente se usan sistemas de osciladores/transformadores para reducir el voltaje, seguidos de rectificadores para transformar la corriente alterna de salida de nuevo en contínua.

Betavoltaicos
Estos generadores de corriente eléctrica usan la energía de una fuente radiactiva emisora de partículas beta (electrones). Una fuente común es el tritio, un isótopo natural del hidrógeno. 

 

A diferencia de la mayoría de las fuentes de energía nucleares, que usan la radiación nuclear para generar un calor que posteriormente se convertiría en electricidad (generadores termoeléctricos y termoiónicos), los generadores betavoltáicos usan un proceso de conversión no térmico. Éstos se adaptan especialmente bien a las aplicaciones de baja potencia en las que se requiere una gran duración de la fuente de energía (dispositivos médicos implantables y aplicaciones aeroespaciales).

Baterías electromecánicas
Usan la acumulación de carga entre dos placas para acercar una de ellas, flexible, hacia la otra, rígida, hasta que ambas se tocan, se descargan y vuelven a la situación inicial, separándose así ambas placas. El movimiento mecánico que se produce en el proceso de acercamiento de ambas placas se emplea para producir electricidad mediante la deformación de un material piezoeléctrico.

ACTUALIDAD

Las baterías a día de hoy se han convertido en algo casi imprescindible en el ambiente cotidiano (y más aún en el industrial) debido a los dispositivos electrónicos más comunes en la sociedad actual como los smartphones, los cuales están evolucionando muy rápidamente con procesadores más potentes, pantallas más grandes y conexiones inalámbricas más rápidas. Así, mientras que las baterías Li-Ion no han evolucionado en los últimos años, y ante una excesiva demanda energética, un posible sucesor serían las baterías nucleares, las cuales, con un tamaño inmensamente menor que el de las baterías ordinarias actuales, son capaces de otorgar una energía equivalente a 300 litros de gasolina. Así, las distintas investigaciones acerca de esta novedosa línea energética, se desarrollaron una serie de baterías para equipos electrónicos que pudieran soportar condiciones meteorológicas extremas, naciendo así las baterías betavoltaicas de NanoTritio, que transforman directamente la radiación nuclear del Tritio en energía eléctrica.

Empero, y dada su larga duración (aproximadamente 20 años), estas pilas son demasiado difíciles de conseguir a nivel cotidiano, debido al gran poder adquisitivo que requieren. Sin embargo, se calcula que entorno a un período de 2 a 5 años, se estima que podrían ser utilizadas en dispositivos de uso diario, como marcapasos o sensores, los cuales no dejarían de funcionar hasta pasados 20 años de duración energética.

FUENTES

- http://maikelnai.elcomercio.es/2009/10/10/muestran-pequenas-pilas-nucleares-que-funcionan-al-menos-durante-10-anos/
- http://www.microsiervos.com/archivo/tecnologia/baterias-nucleares-nano-tritio.html
- http://elchapuzasinformatico.com/2013/01/ya-a-la-venta-las-baterias-nucleares-20-anos-de-energia-sin-recargas/
- http://es.wikipedia.org/wiki/Bater%C3%ADa_nuclear

LA CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS

INTRODUCCIÓN

La finalidad de la conservación de los alimentos consiste en retardar el proceso de descomposición de los mismos, esto es, ralentizar el proceso de acción de los distintos microorganismos (bacterias, hongos, etc.) sobre los mismos. Esta descomposición de la materia orgánica se presenta como una alteración en el color, olor y sabor del producto debido a las reacciones químicas (los procesos digestivos) que tienen lugar en el sistema, y a temperatura ambiente, que suele ser la óptima para que se den tales procesos.

Así, los alimentos se descomponen, se pudren, principalmente por dos tipos de causas: por un lado, por los denominados fenómenos vitales, en los cuales entrarían las bacterias presentes en el medio y demás parásitos del propio alimento, así como las enzimas, de tipo biológico que catalizan reacciones químicas específicas, que hay en en tales productos; Sin embargo, los alimentos también se alteran por fenómenos no vitales, por cambios físicos que se producen en el medio, como son la temperatura, humedad, luz y oxígeno, los cuales provocan un cambio en la textura, olor, sabor y color de los alimentos.

Asimismo, estos cambios físicos también producirían cambios en la velocidad con que se dan las reacciones producidas por los microorganismos. El aumento desmesurado de la temperatura llegaría a matar a todas estas bacterias y hongos que participan en su descomposición, e incluso llegar a cambiar la estructura espacial de proteínas específicas; su disminución, esto es, su congelación, llegaría hasta el punto en que esos mismos organismos no puedan llevar a cabo estos procesos metabólicos, pues requieren un energía de activación mayor, o incluso que se den a una velocidad menor, pues la energía interna del medio no es la suficiente como para que se de a la misma velocidad que en condiciones estándar; la adición de determinadas enzimas al complejo orgánico provocaría la aceleración o desaceleración de la descomposición del alimento; y el aumento de la humedad induciría a la aparición de hongos, pues éstos precisan medios lo suficientemente húmedos como para poder llevar a cabo sus procesos metabólicos.

LA ACIDIFICACIÓN

Debido a la cantidad de agentes, tanto químicos como físicos, presentes en el medio en que se encuentra el alimentos, se hace necesario el empleo de métodos directos de conservación de alimentos, como es el caso de la esterilización, pasteurización, empleo de aditivos, y, en nuestro caso, de la acidificación, entre otros.

Este proceso consiste en la adición de sustancias, generalmente líquidas como es el vinagre, que disminuyan el pH del alimento. Ello impediría el desarrollo de los microorganismos, pues se encuentran en un medio más ácido del que están habituados, actuando como agente ácido del medio, eliminando a los ya mencionados fenómenos vitales.

Su relación con la velocidad de reacción reside en que, tras la dificultad en la reproducción de estos microorganismos, la cual se ve afectada por el nivel de pH, el número de reacciones que se darán en el medio se reducirá significativamente con respecto a los microorganismos. En relación con las enzimas presentes en el propio alimento, también necesitan un nivel adecuado de pH para que se pueda dar: sería el caso de las células, que tienen que mantener el nivel de pH constante para no alterar las reacciones metabólicas que se dan a través de los sistemas tampón (ion bicarbonato e ion fosfato). La acidificación del medio implicaría el aumento de iones H⁺ en el medio, o adición de electrones en el mismo. Así pues, este proceso podría neutralizar la acción de determinadas enzimas, que necesitaría un nivel de pH menos ácido para poder actuar.

FUENTES

- http://es.scribd.com/doc/24240800/METODOS-DE-CONSERVACION-DE-ALIMENTOS
- http://www.profesorenlinea.cl/Ciencias/AlimentosConserva.htm
- http://www.monografias.com/trabajos59/conservacion-alimentos/conservacion-alimentos.shtml
- http://es.wikipedia.org/wiki/Redox

PRÁCTICA: DETERMINACIÓN DEL CALOR DE DISOLUCIÓN DE UN SÓLIDO IÓNICO

INTRODUCCIÓN

Con esta práctica se pretende estudiar el calor de reacción en una reacción endotérmica, como es en nuestro caso. En ella interviene la energía reticular del KNO₃, en tanto que ion, cuya energía reticular determinará la fuerza con que se unen los componentes iónicos, la constante dieléctrica del H₂O, que permitirá su disociación iónica, además de su disolución y reacción. 

Al tratarse de una reacción endotérmica, se absorberá calor para que se pueda llevar a cabo la reacción, pues los productos son más inestables que los reactivos. Esta absorción de calor llevará consigo una disminución en la temperatura del sistema termoquímico.
 

DESARROLLO DE LA PRÁCTICA

Para su realización, se llevaron a cabo una serie de procesos, además de la utilización de distintos materiales:

Para empezar, se introducen en un calorímetro 15 mL de H₂O, medidos anteriormente con una probeta, se cierra, y se mide la temperatura de su interior.

Seguidamente se pesan, con un pesasustancias, 3 g de KNO₃ en la balanza, y se anota la cantidad exacta pesada (pues suelen haber pequeños desviamientos con respecto a la cantidad requerida).

Una vez hecho lo anterior, se introduce el KNO₃ en el calorímetro, se agita levemente, para mezclarlo con el agua del interior y evitar que se peguen las sustancias en las paredes del recipiente.

Finalmente, se anota la temperatura resultante de la reacción (la temperatura final), percatándose de su disminución con respecto a la primera anotada. 

DATOS OBTENIDOS

T(inicial) = 17ºC

T(final) = 11ºC

Masa (H2O) = 15 g Masa (disolución) = 18,03 g

Masa (KNO3) = 3,03 g

Qdisolución=ce⋅md ⋅ΔTQH2O=1⋅18,03⋅6QH2O=452,1924 J / g

QKNO3=ce⋅md⋅ΔTQKNO3=0,09636⋅18,03⋅6QKNO3=0,01 J / g 

RELACIÓN TEÓRICA Y CONCLUSIONES

Esta experiencia, así como los resultados obtenidos tras ella, podrían relacionarse con la energía libre de Gibbs ΔG, en tanto que esta reacción es espontánea, aun siendo una reacción endotérmica, en la cual nos encontramos que ΔH > 0 y que ΔS >0, de tal modo que sería espontánea en el intervalo de Tª en el que se ha llevado a cabo la experiencia, pues en estos casos el proceso será espontáneo siempre y cuando trabajemos con Temperaturas altas (TΔS > ΔH), para que, finalmente ΔG < 0 y la reacción, por ende, espontánea.

Con respecto a la entropía, se concluye que el sistema es entrópico, pues, de no ser así, la reacción no se habría llevado a cabo espontáneamente, ya que si ΔH > 0 y TΔS < 0 la reacción es no espontánea. Siendo nuestro caso una ΔS > 0, establecemos que las temperaturas en las que se ha dado la reacción son lo suficientemente altas (290 K) como para que ΔG < 0. posiblemente, a una temperatura más baja, como 273 K, la reacción no se podría haber llevado a cabo, pues a esa temperatura el agua se condensa, y, por tanto, disminuye la entropía en el sistema, haciendo imposible la espontaneidad de la reacción. 

MEJORAS POSIBLES DE LA EXPERIENCIA

Con el uso de un calorímetro mejor aislado del exterior, y un agitador insertado en el mismo, la reacción se podría haber llevado a cabo de una forma más precisa, y con menos pérdida de energía, o variación con respecto al entorno, en forma de calor. Además, con el uso de termómetros electrónicos y probetas más precisas se podría llevar a cabo lo anteriormente comentado: una mayor precisión en los cálculos.

Al agitador se le podría unir un motor que llevase a cabo un movimiento aproximadamente uniforme, impidiendo grandes variaciones en la aceleración de la agitación del mismo compuesto, tal que las pérdidas de sustancia pegadas en las paredes del calorímetro sean las mínimas.

LA ENTROPÍA

INTRODUCCIÓN

En este apartado hablaremos acerca de la entropía, su significado e importancia para el conjunto del Universo, además de su relación con otras disciplinas (biología, filosofía, geología, etc.).

Sin embargo, antes de comenzar a establecer relaciones, tendríamos que tener una noción mínima acerca de la entropía.

DEFINICIÓN DE ENTROPÍA

La entropía es la magnitud física que mide el grado de desorden dentro de un sistema. Podría considerarse el desgaste de un sistema debido al transcurso del tiempo o al funcionamiento del mismo. Así, los sistemas altamente entrópicos tienden a desorganizarse por el desgaste generado a lo largo del tiempo.

Según el físico Ludwig Boltzmann, la entropía es un término probabilístico. Esto es, el estado de orden de un sistema es aquel de menor probabilidad del mismo, y, por consiguiente, el desorden es el estado más probable en que puede encontrarse tal sistema. Es por ello por lo que se afirma que todo sistema tiende al desorden con el paso del tiempo.

De forma análoga a esto, también nos permite calcular la parte de la energía que se ha degradado durante el proceso

IMPORTANCIA EN EL UNIVERSO

Por norma general, el término entropía va ligado a desorden en la mayoría de los casos. Sin embargo, hay otros en los que la entropía no aumenta. Un ejemplo en el que podemos encontrarnos ambos casos es en el Universo. En él nos encontramos estructuras enormemente complejas y, a la vista, ordenadas, como es el caso de los corpúsculos celestes, formados por la acumulación de materia en un proceso no entrópico, y de las galaxias, las cuales describen la curva de Fibonacci, normalmente acuñada al número aureo, y al orden.

Desde el punto de vista energético, nos encontraríamos con un sistema entrópico. Es así como James Jeans describió un posible final del Universo, al que denominó "muerte térmica", basándose en la Segunda Ley de la Termodinámica, pues según ella este sería el único final posible del Universo, de tal modo que al denominarse el Universo como sistema entrópico, energéticamente, la temperatura descendería hasta casi alcanzar el "cero absoluto" (0 K) haciendo imposible la vida.

Toda la energía tendería a su forma más degradada: la energía térmica, quedando en un estado de equilibrio termodinámico y a una temperatura cercana al cero absoluto, impidiendo cualquier extracción de "energía útil". Sería el desorden absoluto e irreversible.

 

 

RELACIÓN CON OTRAS DISCIPLINAS

En este apartado se desarrollará una relación entre la entropía y otras disciplinas distintas de la Física, tales como la Filosofía, Biología o Geología, así como su influencia en el estudio fenoménico.

FILOSOFÍA

Su influencia reside, principalmente, en la visión del cosmos en la Grecia Antigua, sobretodo con los primeros filósofos, los denominados "presocráticos", han disertado acerca de la problemática de un mundo cuyo desorden aumenta constantemente.

Muchos filósofos a lo largo de los siglos han planteado y dado respuestas a este interrogante milenario. Así, los pensadores griegos de la antigüedad creyeron, bajo la influencia del mito, que el mundo no ha sido siempre el mismo y que no lo será eternamente. Para Heráclito, cada 10.800 años, todo vuelve al fuego original, el primordial, siendo este fuego la causa y el efecto de toda fluidez cósmica, desapareciendo en esa fase toda diferencia entre los Dioses y el mundo. Anaximadro consideró al "apeirón" como fuente y fin del universo: "De allí mismo de donde las cosas brotan, allí encuentran también su destrucción conforme a la ley". El Universo de Pitágoras es un todo único, un orden (Kosmos) que se debe a la estructura que posee. Dios es la armonía de sus partes, las cuales están determinadas por los números.

BIOLOGÍA

Como bien sabemos, la evolución de las especies avanza en orden decreciente de entropía, es decir, conforme las especies evolucionan, estos organismos se vuelven cada vez más complejos, más ordenados.

Sería a mediados del siglo XIX cuando Darwin publicaría el libro que dio un giro revolucionario a la Teoría de la Evolución. En él se describe cómo las especies evolucionan conforme a una selección natural por la cual permanecen las especies mejor capacitadas para la supervivencia. Pues bien, sería esta selección natural, este cambio génico en las poblaciones de individuos de la misma especie, lo que provocaría una disminución en la entropía del sistema, de tal modo que, mientras que la naturaleza del Universo es el continuo y creciente desorden (aumento de la entropía), la naturaleza de las especies es la continua evolución, el continuo cambio génico que dificulta un aumento de la entropía (decrece la entropía).

GEOLOGÍA

Posiblemente sea la disciplina en la que mejor se representen los dos estados entrópicos antes descritos: uno en el que la entropía es alta, y el otro en el que la entropía es baja.

En el estudio de los minerales y sus propiedades, concretando nuestra relación en la dureza y estructura cristalina, nos encontramos ante el cristal covalente más duro que podemos encontrar: el diamante. Compuesto simplemente por átomos de carbono (al igual que el grafito), representa el orden molecular, una estructura incapaz de ser rayada por otro material distinto de él. 

Sin embargo, este no sería el único ejemplo de orden molecular, pues en general, todas las estructuras cristalinas, ya sean iónicas o covalentes, presentan un orden atómico que no persigue el incremento de entropía. Así podemos encontrar otros minerales, como los silicatos, los carbonatos, haluros, fosfatos, sulfuros, etc.

En el estudio de la dinámica terrestre, no encontramos con un sistema entrópico, pues el choque y desplazamiento de las placas tectónicas no persigue un fin, sino que estos choques se producen de forma aleatoria, es decir, son imprevisibles y desordenados. De forma análoga a esto, el desplazamiento de estas placas con respecto a Pangea es también desordenado, de tal forma que podríamos denominar a la dinámica terrestre como un sistema entrópico que evoluciona desde el orden (Pangea) hacia el desorden (continua separación de continentes).

FUENTES

- http://axxon.com.ar/rev/168/c-168ensayo2.htm
- http://www.revolucionnaturalista.com/2008/08/evolucin-y-entropa.html#.UM239_lTBKg
- http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/termo2p/universo.html
- http://labellateoria.blogspot.com.es/2007/07/la-muerte-del-universo.html
- http://laguna.fmedic.unam.mx/~evazquez/0403/entropia.html
- http://www.emiliosilveravazquez.com/blog/2012/12/14/%C2%A1boltzmann-la-entropia/#more-5614
- http://www.gobiernodecanarias.org/educacion/3/usrn/lentiscal/1-cdquimica-tic/HistoriaCiencia/HistoriaBiografiasQ2%C2%BA.pdf

TERMOQUÍMICA

INTRODUCCIÓN

La Termoquímica es la rama de la química que dedica su estudio a los intercambios de energía en las reacciones químicas. Experimentalmente en toda reacción química se manifiesta una variación de la energía debido a la emisión o absorción de calor. 

Pues bien, es esta variación de la energía el objeto de la Termoquímica, a partir del cual podemos hacernos una idea de la importancia que tiene el hecho de que la espontaneidad de muchas reacciones viene determinada por el aspecto energético, además de que muchas otras se dan a modo de aprovechar la energía desprendida, como es el caso de las combustiones. Es muy importante tener en cuenta la variación de la energía en una reacción, pues de ello dependerá que esta se de o no, que el producto sea estable o inestable, que sea más o menos costosa, que sea exotérmica o endotérmica, etc.

Una de las ciencias que está directamente relacionada con la Termoquímica es la Termodinámica en tanto que el estudio de la energía. En ella destacan dos enunciados que corresponden a los dos Principios de la Termodinámica.
 

1º PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA 

Su enunciado es: "En un sistema cerrado, la energía intercambiada en forma de calor y trabajo entre el sistema y los alrededores es igual a la variación de la energía interna del sistema" 

Ahora bien, ¿qué quiere decirnos con esto? Pues nada más y nada menos que confirmar, o aplicar, el principio de conservación de la energía en el Universo (sistema + entorno), de tal modo que en cualquier reacción química, si le transferimos a un sistema cerrado un calor Q, éste producirá un trabajo W, de tal modo que la suma de ambos valores dará como resultado la variación de la energía interna del sistema. De igual modo, la energía que gana el sistema es la misma que la que pierde el entorno, y viceversa en el caso de que el sistema desprenda energía (en forma de calor).

2º PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA

En este caso tendríamos que comprender el significado de la entropía, la cual mide el desorden en un sistema. Es decir, la entropía es una función de estado extensiva que mide el desorden de un sistema, de tal modo que a mayor entropía, mayor desorden. Este concepto también está relacionado con la espontaneidad de una reacción. 

Según la espontaneidad de una reacción toda reacción exotérmica (en la cual se libera energía) se realiza por sí misma, pues aunque la mayoría pasa a un estado de menor energía para estabilizarse. Empero no ocurre lo mismo con reacciones endotérmicas como la expansión de una gas, la fusión del hielo, etc. que también son espontáneas. Según la definición de entropía, las reacciones en las que aumenta la entropía son espontáneas, pues los procesos en los que tiene lugar un desorden son más probables que aquellos que entrañan un orden. Este desorden radica en que existen millones de formas en que los átomos pueden estar dispuestos en un espacio tridimensional , de tal forma que el orden sería una millonésima de la probabilidad de su disposición. Así pues, el cambio espontáneo de una posición ordenada a otra desordenada es consecuencia de las leyes de probabilidad. De igual modo que el aumento de la entropía en un sistema produciría reacciones espontáneas en las condiciones adecuadas.

Una vez explicado esto, el enunciado del 2º principio de la Termodinámica dice así: "Todo cambio espontáneo en un sistema supone un aumento de la entropía del Universo"

Según el cual, a la hora de realizarse una reacción espontánea, se produce un aumento de la entropía y, por ende, un aumento del desorden de las partículas constituyentes.

3º PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA

Su enunciado es: "La entropía de un cristal perfecto a 0 K es nula"

Este principio viene a decirnos que a 0 K, puesto que el movimiento y el estado de vibración de todo átomo y molécula es nulo, la probabilidad del desplazamiento de las partículas que componen este cristal será también nula, es decir, si no hay movimiento, no hay desorden de partículas y, por ende, la entropía es nula.

"TERMOQUÍMICOS" IMPORTANTES

En este apartado hablaremos sobre los aportes de los distintos científicos a la Termoquímica, así como su importancia en la historia, los avances que se han podido realizar gracias a sus descubrimientos, etc.

Pero antes de dar paso a la descripción de los científicos y sus correspondientes descubrimientos, habría que remarcar, o incidir con especial ahínco en una de las leyes básicas de la Termoquímica, la Ley de Hess, cuyo enunciado afirma lo siguiente: "Cuando los reactivos se convierten en productos, el cambio de entalpía es el mismo independientemente de la reacción que se efectúe en un solo paso o en una serie de pasos consecutivos, de modo que la entalpía del proceso global es la suma de entalpías de cada uno de los procesos parciales" 

Esta ley, cuyo autor fue Henry Hess, tiene como propósito confirmar la ley de conservación de la energía con una aplicación desde el punto de vista de las reacciones químicas.

HENRY HESS (1802 - 1850)

Enunció el principio de la Termoquímica en 1840, según el cual el calor liberado a lo largo de una reacción química es independiente de los procesos intermedios. Ello quedó registrado en su "Ley de la constancia de la suma de los calores de reacción". Probó que la cantidad de calor producida al transformarse una sustancia A en B, es la misma cualquiera que fuese la reacción seguida y las etapas en las que se produjese. Fue por este descubrimiento por el que se le conoce como el fundador de la Termoquímica.

 

 

RUDOLF CLAUSIUS (1823 - 1888)

Generalizó el 2º Principio de la Termodinámica introduciendo el concepto de la entropía en 1865, en tanto que el modo de medir el desorden en un sistema. También investigó la teoría cinética de los gases, según la cual: "El calor no puede transformarse en trabajo constantemente". Probó que el calor no pasa de forma espontánea desde un cuerpo a otro de mayor temperatura.

 

 

 

  

 

J.W GIBBS (1839 - 1903)

Introdujo la función de entalpía libre "G" para el estudio de la espontaneidad y el equilibrio químico. También introdujo el concepto de "potencial químico" en tanto que factor intensivo correspondiente a la masa. Fue además el que enunció el 2º Principio de la Termodinámica, por el cual la energía del Universo se mantiene constante y la entropía aumenta incesantemente hasta llegar a alcanzar un valor máximo.

 

 

 

 

 

 

LUDWIG BOLTZMANN (1844 - 1906)

Desarrolló el significado microscópico de la entropía, demostrando su carácter probabilístico. También demostró que el 2º Principio de la termodinámica es una ley estadística, por el cual, el estado de mayor entropía es, además, el más probable. Dedujo teóricamente la ley experimental de distribución de la energía radiante, descubierta previamente por Stefan, la cual pasó a llamarse "Ley de Stefan - Boltzmann", la cual nos afirma que la radiación total emitida por una cuerpo es equivalente a la temperatura absoluta elevada a la cuarta potencia.

 

 

 

APLICACIÓN A OTROS ASPECTOS DE LA VIDA

Principalmente se desarrollará este apartado entorno a los aspectos económicos, es decir, la relación de la Termoquímica con la economía, y entorno a los aspectos medioambientales, esto es, la relación de la Termoquímica con el medio ambiente.

RELACIÓN CON LA ECONOMÍA

Siempre se nos ha dicho que el mejor trabajo es aquel que resulte efectivo con la menor cantidad posible de medios para llevarlo a cabo y en el menor tiempo posible.

Pues bien, algo parecido ocurre con las reacciones químicas: aquella que se realice con la menor cantidad de energía de activación (energía necesaria para poner en marcha la reacción química) será aquella que "triunfe" en las industrias, pues, teóricamente, de entre los distintos métodos para llevar a cabo una misma reacción, sólo aquel que se lleve a cabo con la menor cantidad de energía posible será el seleccionado (gracias al uso de catalizadores que disminuyan la energía de reacción, acelerando así el proceso), al ser el más rentable. En esto no sólo influye la energía aportada al proceso, sino también los materiales, o reactivos necesarios para provocar la reacción, pues no es lo mismo, en el caso de la locomoción automovilística, mover una máquina con gasolina que con gasóleo, siendo más barato este último.

En el caso anterior, hay que incidir en que la diferencia de precios en España entre gasolina y gasóleo no es muy significativa a priori. Sin embargo, conforme vamos aumentando la cantidad requerida, y esto se ve claramente en el caso de las industrias, esta diferencia se hace mucho más grande. De forma análoga a esto, el uso de placas fotovoltaicas sería mucho más caro que el uso de butano o propano a la hora de calentar agua mas no por la cantidad en que se compra, sino esta vez por el material usado en cada caso, pues, al estar compuestas las placas fotovoltaica de silicio, un material caro debido a su dificultad a la hora de extraerlo, su precio en el mercado aumenta con respecto a otros materiales como los ya mencionados

Por estas razones, entre otras, se hace bastante importante el hecho de seleccionar bien los materiales empleados para un mismo fin, como es el caso de la combustión para generar energía en forma de calor, pues de ello dependerá la velocidad con que se realice la reacción, pero más aun de su efectividad.

RELACIÓN CON EL MEDIO AMBIENTE

Posiblemente, el tema que más se ajuste a este apartado sea el ya conocido efecto invernadero, mas esta vez visto desde el punto de vista de las reacciones químicas.

Supongamos el caso de la reacción de combustión del butano a la hora de encender el calentador, llevándose a cabo de la siguiente manera:

2 C₄H_10(g) +13 O_2(g)       > 8 CO_2(g) +10 H₂O_(g)  ΔH =  - 2875,8 KJ / mol

Esto es, 2 moles de butano reaccionan con 13 moles de oxígeno molecular para dar lugar a 8 moles de dióxido de carbono y 10 moles de agua, todos ellos en estado gaseoso, y tras el cual se libera una gran cantidad de energía, concretamente, - 2875,8 KJ por mol de butano, que como en este caso tenemos dos, la energía liberada se duplicaría.

Ahora analicémoslo desde el punto de vista de la Termodinámica:

A partir de un foco caliente: el butano en combustión, se libera una gran cantidad de energía que se utiliza para incrementar la temperatura, en este caso del agua. Según el Primer Principio de la Termodinámica, de este foco caliente, con un calor Q, se realizará un trabajo W siempre menor que el calor inicial, pues de ahí, una parte de la energía usada en el proceso, pasará a degradarse, transformándose en energía no útil para nosotros. Este calor sería el foco frío del sistema termodinámico.

Desde el punto de vista de la Termoquímica, analizaríamos la reacción de la siguiente manera:

A partir de los reactivos propuestos, el butano y el oxígeno, y en condiciones estándar (P = 1 atm y T = 25ºC), y con una energía de activación E_a, se producen los productos ya dichos, agua y dióxido de carbono, por efecto de la reacción exotérmica, se libera una gran cantidad de calor que se usaría para calentar el agua. Centrándonos en la energía liberada en la reacción, tendríamos que imaginarnos el caso desde el punto de vista molecular, pues las reacciones no son más que el resultado del choque entre moléculas en el cual se libera una cantidad de energía ΔH tras una primera rotura de los enlaces atómicos. En esta misma reacción, la energía liberada va unida al aumento del grado de agitación de las moléculas, de tal modo que inciden sobre el agua calentándola.

Finalmente, para un punto de vista medioambiental acerca de la reacción, habría que tener en cuenta ante todo las repercusiones que tienen los productos en el medio, en el entorno. En nuestro caso, la repercusión de los gases producidos: vapor de agua y dióxido de carbono. Dado que la mayoría de reacciones para producir energía se basa en la combustión de residuos fósiles (sin tener en cuenta las reacciones nucleares), en todos los casos se va a producir dióxido de carbono. Como bien se sabe, este gas es uno de los principales responsables del efecto invernadero, junto con el vapor de agua, útil para la vida, pues de no existir esta capa gaseosa que retiene parte de las radiaciones solares, nuestra temperatura media disminuiría hasta los -18ºC, haciendo inviable la vida en el planeta.

Observando al imagen, este sistema podría ser descrito, al igual que en el caso del butano, como un sistema termodinámico, en el cual el Sol sería el foco caliente, la energía usada sería la que queda en la Tierra (el trabajo, para concordarlo con el esquema del sistema termodinámica base), y la energía liberada al exterior (como radiación de baja frecuencia) sería el foco frío, o energía degradada y no útil para nosotros. Sólo distaría del sistema termodinámico en que no se realiza un trabajo propiamente dicho, sino que la energía se usa para aumentar la temperatura de la superficie.

Empero, el abuso de combustible fósiles como material de combustión produce tal incremento en la cantidad de gases de efecto invernadero en el medio que la temperatura aumenta por encima de la media (33ºC), de modo que ecosistemas como los bosques, este aumento de la temperatura impediría llevar a cabo las principales reacciones anabólicas, al verse el medio interno de las células vegetales afectado por el aumento de la tempertaura, de tal modo que en muchos, casos, junto con la falta de agua, este líquido presente en el citoplasma celular, evaporaría, disecando las células y, por ende, la planta completa. Otro efecto que tendría sería que, al incrementarse las temperaturas, las capas de hielo de los polos se derretirían, tal que, al ser el agua líquida más densa que el hielo, el volumen del mar aumentaría, llegando a inundar las distintas zonas costeras.

De este modo, la liberación de energía en una reacción exotérmica como es la combustión tendría también sus consecuencias en el ámbito medioambiental, más por sus efectos sustanciales, pero también por los energéticos.

FUENTES

- http://www.alonsoformula.com/inorganica/_private/Quimica2bach04cast.pdf
- http://fisica.universidadlaboralab.es/wordpress/wp-content/uploads/2010/02/termodinamica.pdf
- http://www.gobiernodecanarias.org/educacion/3/usrn/lentiscal/1-cdquimica-tic/HistoriaCiencia/HistoriaBiografiasQ2%C2%BA.pdf 
- http://www.elpreciodelagasolina.com/gasolineras/almeria:34242
- http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_invernadero