Físicofarmacía I: Principios de Termodinámica

Introducción a la Termodinámica

• La termodinámica es el estudio del calor, el trabajo, la energía y los cambios que provocan en los estados de los sistemas.
• Es la rama de la Física que estudia a nivel macroscópico las transformaciones de la energía y cómo esta energía puede convertirse en trabajo.

Sistemas y Alrededores

• Un sistema es una parte del universo objeto de estudio.
• Los alrededores son partes del universo que pueden interactuar con el sistema.
• El universo es la suma del sistema y sus alrededores.

Estado de un Sistema

• El estado de un sistema se define como los valores de todas las variables macroscópicas que caracterizan al sistema.
• El estado de un sistema queda definido cuando se da el número mínimo de variables termodinámicas que fijan el sistema.

Variables Termodinámicas

• Variables extensivas: su valor es igual a la suma de los valores correspondientes a diferentes partes del sistema (p. ej. masa y volumen).
• Variables intensivas: no dependen de la cantidad de materia en el sistema (p. ej. densidad y presión).

Funciones de Estado

• Su valor depende únicamente del estado concreto del sistema en un momento determinado.
• No dependen del camino o transformaciones que ocurren para llegar a ese estado.

Tipos de Procesos Termodinámicos

• Isotérmico: temperatura constante.
• Isobárico: presión constante.
• Isocórico: volumen constante.
• Adiabático: no hay transferencia de calor.
• Reversible: se regresa mediante una condición de equilibrio al estado inicial.
• Irreversible: el cambio ocurre y no se puede regresar al estado inicial.

Calor y Trabajo

• El calor es una transferencia de energía entre el sistema y su entorno debido a una diferencia de temperatura.
• El trabajo es una transferencia de energía entre el sistema y su entorno debida a una fuerza macroscópica.

Equilibrio Termodinámico

• Un sistema aislado está en equilibrio cuando sus propiedades permanecen constantes en el tiempo.
• Un sistema no aislado está en equilibrio si se cumplen dos condiciones: a) propiedades macroscópicas del sistema permanecen constantes a lo largo del tiempo, y b) cuando se suprime el contacto entre el sistema y sus alrededores no hay cambio alguno en las propiedades del sistema.

Tipos de Equilibrio

• Equilibrio térmico: todas las partes del sistema están en la misma temperatura.
• Equilibrio químico: la composición del sistema no cambia.
• Equilibrio mecánico: no hay movimientos macroscópicos de material dentro del sistema.

Trabajo y Energía

• El trabajo es el producto de una propiedad intensiva (fuerza) y una propiedad extensiva (desplazamiento).
• La energía es la capacidad de producir trabajo.
• La energía puede transformarse de un tipo a otro.

Formas de Energía

• Energía mecánica (cinética y potencial).
• Energía eléctrica.
• Energía magnética.
• Energía química.
• Energía calórica.
• Energía atómica.
• Energía luminosa.

Conservación de la Energía

• La energía total de un sistema aislado permanece constante.
• La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma de un tipo a otro.### Introducción a la Termodinámica
• La Termodinámica estudia la relación entre el calor, el trabajo y la energía.
• La Primera Ley de la Termodinámica establece que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma.

Propiedades Extensivas y Intensivas

• Las propiedades extensivas dependen de la cantidad de sustancia, por ejemplo: volumen, masa y energía interna.
• Las propiedades intensivas no dependen de la cantidad de sustancia, por ejemplo: temperatura, presión y densidad.

Ecuación de Estado

• La ecuación de estado relaciona la presión, el volumen y la temperatura de un sistema en equilibrio.
• La ecuación de estado ideal es: PV = nRT.

Energía Interna

• La energía interna (E) es la suma de la energía cinética, potencial y de enlaces químicos de una sustancia.
• La energía interna es una función de estado.

Trabajo y Calor

• El trabajo (W) se hace cuando un sistema fuerza su entorno y se produce un cambio en el volumen.
• El calor (Q) es una forma de energía que se transfiere de un cuerpo a otro debido a una diferencia de temperatura.

Primera Ley de la Termodinámica

• La Primera Ley de la Termodinámica se puede expresar como: ΔE = Q - W.
• La Primera Ley establece que la energía interna de un sistema aumenta si se le suministra calor y disminuye si se realiza trabajo.

Procesos Termodinámicos

• Un proceso isotérmico es aquel en el que la temperatura se mantiene constante.
• Un proceso adiabático es aquel en el que no hay intercambio de calor con el entorno.
• Un proceso reversible es aquel en el que se puede regresar al estado inicial sin cambiar el entorno.
• Un proceso irreversible es aquel en el que no se puede regresar al estado inicial.

Entalpía

• La entalpía (H) es una función de estado que se define como: H = E + PV.
• La entalpía es una medida de la energía total de un sistema.

Termoquímica

• La termoquímica es el estudio de los efectos del calor en las reacciones químicas.
• La entalpía estándar de formación (ΔH°) es la entalpía de formación de un compuesto a partir de sus elementos en su estado más estable.

Segunda Ley de la Termodinámica

• La Segunda Ley de la Termodinámica establece que la energía se degrada### Entropía
• La entropía es una medida del desorden o aleatoriedad de un sistema.
• Cuando un sistema se vuelve más caótico, su entropía aumenta proporcionalmente con el grado de aumento del desorden causado.
• La segunda ley de la termodinámica establece que la entropía de un sistema aislado aumenta en un cambio espontáneo.

Procesos cíclicos reversibles

• En un proceso cíclico reversible, el cambio en la entropía del sistema y el entorno es igual a cero.
• La entropía del sistema y el entorno reaccionan espontáneamente en la dirección en que aumenta la entropía.

Calor y entropía

• La entropía se relaciona con la cantidad de calor absorbido o liberado en un proceso.
• La entropía aumenta cuando un sistema absorbe calor y disminuye cuando libera calor.

Entropía en procesos reversibles con cambios de temperatura

• La entropía se puede calcular utilizando la fórmula: ∆S = Qrev / T.
• La entropía es una función de estado, por lo que solo depende de la temperatura final y la temperatura inicial.

Entropía en el cero absoluto

• La entropía en el cero absoluto es nula para un sólido cristalino perfecto.
• La entropía aumenta con la temperatura y el desorden molecular.

Entropía de formación

• La entropía de formación se refiere a la entropía de un compuesto químico en su estado estándar.
• La entropía de formación se puede calcular utilizando la fórmula: ∆Sf = ΣS°productos - ΣS°reactivos.

Fuerza impulsora de las reacciones químicas

• La fuerza impulsora de las reacciones químicas es la disminución de la energía libre.
• La energía libre se puede calcular utilizando la fórmula: ∆G = ∆H - T∆S.

Energía libre

• La energía libre es la energía total del sistema menos la energía no aprovechable.
• La energía libre se puede calcular utilizando la fórmula: ∆G = ∆H - T∆S.
• La energía libre determina la espontaneidad de una reacción química.

Variación de la energía libre con la presión y la temperatura

• La energía libre varía con la presión y la temperatura.
• La variación de la energía libre se puede calcular utilizando las fórmulas: ∆G = nRT ln(P2/P1) y ∆G = nRT ln(C2/C1).

Equilibrio químico

• El equilibrio químico se describe mediante la constante de equilibrio (Keq).
• La constante de equilibrio se puede calcular utilizando la fórmula: Keq = [C] [D] / [A] [B].
• El valor de Keq describe la posición del equilibrio y si la reacción es favorable o no.