¿Qué son los potenciales termodinámicos?

Los potenciales termodinámicos, también conocidos como funciones fundamentales, son cantidades utilizadas para representar el estado de un sistema termodinámico. Podemos decir entonces, que se trata de ecuaciones constitutivas asociadas a un sistema termodinámico que posee dimensiones de energía.

Potenciales termodinámicos son fundamentales para relacionar variables intensivas y extensivas
Los potenciales termodinámicos son ecuaciones asociadas a sistemas termodinámicos. Imagen de man

El potencial termodinámico es fundamental para estudiar y entender la termodinámica. En este artículo, describiremos a los potenciales termodinámicos y a los cuatro potenciales termodinámicos básicos.

Tabla de contenidos
  1. Potenciales termodinámicos
  2. Los cuatro potenciales termodinámicos básicos
    1. Energía interna
    2. Entalpía
    3. Entalpía de Gibbs
    4. Energía libre

Potenciales termodinámicos

Podemos definir a los potenciales termodinámicos como funciones de estado que describen el comportamiento de equilibrio de un sistema en función de lo que se conoce como variables naturales, junto con las correspondientes ecuaciones de estado, siendo las variables naturales un conjunto de variables apropiadas que permiten la diferenciación parcial de los potenciales termodinámicos para calcular otras funciones de estado.

Para comprender el comportamiento de un sistema termodinámico cuando uno o varios de sus parámetros intensivos se mantienen constantes, deben utilizarse formas de la ecuación fundamental en la que uno o varios parámetros extensivos se sustituyen por el parámetro intensivo conjugado sin pérdida de información. Si estas formas fundamentales de la ecuación fundamental se derivan de la representación de la energía, se denominan potenciales termodinámicos.

La relación básica de la termodinámica viene dada por la ecuación:

Expresión matemática que relaciona las variables intensivas y extensivas

Donde {F,q} denota el conjunto de variables intensivas y extensivas conjugadas que caracterizan a un sistema.

Los cuatro potenciales termodinámicos básicos

El potencial termodinámico para un sistema con un número variable de partículas depende de {μ, N}, así como, de una variable térmica y una variable mecánica, las cuales, pueden ser:

  1. Térmicas: S (extensiva) y T(intensiva)
  2. Mecánicas: V(extensiva) y P(intensiva)

Las cuatro posibles combinaciones de estas variables son:

Esquema de combinacione sposibles de variables intensiva y extensivas para los potenciales termodinámicos
Combinaciones de variables intensivas y extensivas

Podemos definir estos cuatro potenciales termodinámicos básicos como:

  • U(S, V, N): Energía interna
  • H( S, P, N): Entalpía
  • G(T, P, N): Entalpía de Gibbs
  • F(T, V, N): Energía libre

Asimismo, de forma individual, las definiciones básicas serían las siguientes:

Energía interna

Se trata de la energía que se requiere para crear un sistema y se denota como U. También, podemos definir a la energía interna como aquella energía asociada al movimiento de las moléculas.




Entalpía

Es la energía necesaria para crear un sistema, más el trabajo necesario para darle cabida. La entalpía puede definirse como:

Expresión matemática para representar la entalpía un potencial termodinámico

Donde:

  • P: Presión
  • V: Volumen
  • U: Energía interna

La entalpía es en consecuencia una variable medible, ya que es definida en términos de otras variables de estado definidas con precisión.

Entalpía de Gibbs

Se trata de la energía total necesaria para crear un sistema y darle cabida, menos la energía que podemos obtener del medio ambiente. La entalpía o energía de Gibbs, la podemos definir como:

Expresión matemática que representa la entapíla o energía de Gibbs

Donde:

  • U: Energía interna
  • T: Temperatura
  • S: Entropía
  • P: Presión
  • V: Volumen

El segundo término se refiere a la energía que podemos obtener del sistema mediante transferencia de calor (TS), mientras que el tercer término se refiere al trabajo que hay que dar al sistema (PV).

Energía libre

También conocida como energía libre de Helmholtz, se trata de la energía necesaria para crear un sistema y darle cabida, menos la energía que se puede obtener del entorno o los alrededores. Podemos definir a la energía libre como:

Expresión matemática que representa la energía de Helmholtz un potencial termodinámico

Donde:

  • U: Energía interna
  • T: Temperatura
  • S: Entropía

El segundo término del lado derecho de la ecuación se refiere a la energía que se obtiene del entorno mediante transferencia de calor (TS).

Definidos los cuatro potenciales termodinámicos básicos, podemos decir que todos se encuentran relacionados por las compensaciones del término “Energía del entorno”, que no es otra cosa que TS y término conocido como “Trabajo de expansión”, que se refiere a PV.

Estas relaciones entre los cuatro potenciales termodinámicos, pueden recordarse con facilidad utilizando la siguiente regla mnemotécnica:

Regla memotécnica para recordar los potenciales termodinámicos

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