Potenciales termodinámicos

Energía libre de Helmholtz, entalpía, energía libre de Gibbs y relaciones de Maxwell.

Idea general del tema

Cada potencial termodinámico es la energía útil de un sistema bajo un conjunto distinto de condiciones controladas (presión constante, temperatura constante, composición variable...). Este tema muestra por qué se necesitan varios potenciales y cuándo usar cada uno.

Qué vas a comprender de verdad

• Por qué la entalpía es la magnitud natural para procesos a presión constante, donde sustituye a la energía interna.
• Por qué la energía libre de Helmholtz predice la espontaneidad de un proceso a volumen y temperatura constantes.
• Por qué la energía libre de Gibbs hace lo mismo pero a presión y temperatura constantes, el caso más habitual en química y en procesos de laboratorio.
• Cómo el potencial químico generaliza estos potenciales a sistemas donde la composición (número de partículas) también puede variar.

Ruta didáctica recomendada

1. Entalpía: el potencial natural a presión constante.
2. Energía libre de Helmholtz: espontaneidad a volumen y temperatura constantes.
3. Energía libre de Gibbs: espontaneidad a presión y temperatura constantes.
4. Potencial químico: la energía asociada a cambiar el número de partículas.

Criterio físico que debes adquirir

Elige el potencial termodinámico según qué variables se mantienen fijas en el proceso real: usar el potencial equivocado no da un error numérico evidente, pero invalida la interpretación de espontaneidad o equilibrio.

Conexión con problemas reales

Reacciones químicas espontáneas, equilibrios de fase, diseño de procesos industriales a presión constante y termoquímica de combustión se analizan sistemáticamente con estos potenciales.

Objetivo final del tema

Elegir el potencial termodinámico adecuado según las condiciones del proceso y usarlo para predecir espontaneidad, equilibrio y energía disponible del sistema.