Entalpía: qué es, cómo se calcula y ejemplos en termodinámica
Entalpía: descubre qué es, cómo calcular sus variaciones y ejemplos prácticos en termodinámica sobre calor, trabajo y cambios de energía a presión constante.
La entalpía es una magnitud termodinámica que se emplea en ciencia e ingeniería para evaluar el intercambio de calor y trabajo en procesos a presión constante. El término proviene del griego enthalpos (ενθαλπος), que se traduce como “poner calor”. La palabra y la idea fueron introducidas por el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes en 1909.
De forma intuitiva, la entalpía resume dos contribuciones a la energía de un sistema: la energía interna y el trabajo asociado al volumen que ocupa el sistema frente a su entorno (el llamado trabajo de presión-volumen). Por eso se define mediante la expresión
H = U + pV
donde U es la energía interna, p la presión y V el volumen. H tiene las mismas unidades que la energía (en el Sistema Internacional, julios, J). La entalpía es una función de estado: su valor depende únicamente del estado termodinámico del sistema (por ejemplo, p, V, T) y no del camino seguido para llegar a ese estado.
Variación de entalpía y calor a presión constante
En un proceso que ocurre a presión constante y cuando el único trabajo realizado es el trabajo de expansión (trabajo PV), la variación de entalpía ΔH coincide con la cantidad de calor intercambiada a presión constante:
ΔH = Q_p
Esta relación se obtiene a partir de la primera ley de la termodinámica y de la definición H = U + pV. Es importante señalar que esto vale para procesos cerrados sin otros tipos de trabajo (eléctrico, mecánico no PV, etc.) y con presión externa igual a la presión del sistema.
Propiedades útiles de la entalpía
- Función de estado: ΔH depende sólo de los estados inicial y final, lo que permite aplicar la ley de Hess para sumar cambios de entalpía de pasos intermedios.
- Convención de signos: ΔH < 0 indica un proceso exotérmico (se libera calor), ΔH > 0 indica un proceso endotérmico (se absorbe calor).
- Entalpía molar y específica: a menudo se usa la entalpía por unidad de sustancia (H̄, entalpía molar) o por unidad de masa (h, entalpía específica) para comparar sustancias.
Relación con capacidades caloríficas
Para un gas ideal, la variación de entalpía con la temperatura a presión constante se expresa mediante la capacidad calorífica molar a presión constante Cp:
ΔH = n Cp ΔT
si Cp se considera constante en el rango de temperatura. Para gases ideales también se cumple la relación de Mayer: Cp − Cv = R (R constante de los gases), donde Cv es la capacidad calorífica a volumen constante.
Entalpías estándar y reacciones químicas
En química se usan las entalpías estándar de formación (ΔHf°), que son las variaciones de entalpía al formar 1 mol de una sustancia a partir de sus elementos en sus estados estándar (normalmente 1 bar y 298,15 K). La entalpía estándar de una reacción se calcula como
ΔH°_rxn = Σ ν_p ΔHf°(productos) − Σ ν_r ΔHf°(reactantes)
Esta propiedad permite predecir si una reacción es globalmente exotérmica o endotérmica y cuantificar el calor liberado o absorbido.
Ejemplos prácticos
- Calentamiento de un gas ideal a presión constante: Si se calienta 1 mol de gas ideal desde T1 hasta T2 a presión constante, la variación de entalpía es ΔH = Cp·(T2 − T1). Ese calor debe suministrarse externamente (Q = ΔH) si el proceso es realizado lentamente y sin otras pérdidas.
- Cambio de fase (fusión o vaporización): En un proceso isoterma a la temperatura de cambio de fase, la energía aportada es un calor latente que equivale a la variación de entalpía de la transformación (por ejemplo, entalpía de vaporización ΔHvap o de fusión ΔHfus).
- Reacción química de combustión: La entalpía de combustión (negativa si la reacción es exotérmica) se calcula a partir de entalpías estándar de formación y sirve para dimensionar intercambiadores de calor, cámaras de combustión y para balances energéticos en ingeniería.
- Expansión de un gas en un pistón a presión constante: Si el sistema absorbe calor Q y realiza trabajo pΔV, la variación de la energía interna U es ΔU = Q − pΔV, pero la variación de entalpía ΔH = ΔU + Δ(pV) = Q_p (porque la pΔV se cancela cuando la presión es constante), lo que facilita el cálculo del trabajo y del intercambiado de energía.
Aplicaciones
La entalpía se emplea en análisis de procesos industriales (centrales térmicas, refrigeración, HVAC), en la determinación de balances de energía, en calorimetría y en termodinámica química para predecir y cuantificar calor liberado o absorbido en reacciones.
Resumen
- Definición: H = U + pV.
- En procesos a presión constante sin otro trabajo: ΔH = Q_p.
- Propiedad de estado: permite usar la ley de Hess y tablas (por ejemplo, entalpías estándar de formación).
- Unidades: julio (J) en el SI; a menudo se usan kJ/mol en química.
Si quieres, puedo añadir ejemplos numéricos resueltos (por ejemplo, cálculo de ΔH para una reacción de combustión o para la vaporización de agua) o tablas con valores típicos de entalpías estándar de formación.
Entalpía y reacciones químicas
Cuando se produce una reacción química, una sustancia puede calentarse o enfriarse. Como resultado, el calor fluirá hacia las cosas que la rodean, o desde ellas, hasta que su temperatura vuelva a ser la misma. Si la presión se mantiene igual, esta cantidad de calor indica cuánto ha cambiado la entalpía.
Por ejemplo, si se quema gasolina al aire libre, la gasolina libera calor. Si suponemos que se liberaron 100 kilojulios de calor, entonces la entalpía de la gasolina se redujo en 100 kilojulios. Por lo tanto, el cambio de entalpía para esta reacción fue ∆H = -100 kJ.
Si una reacción química desprende calor (calentando su entorno), se dice que la entalpía de la reacción ha disminuido. El valor de ∆H es negativo. Este tipo de reacción, como el ejemplo anterior, se llama exotérmica.
Si una reacción química absorbe calor (enfriando su entorno), entonces la entalpía de la reacción ha aumentado. El valor de ∆H es positivo. Esto se llama una reacción endotérmica.
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- Energía libre de Gibbs
Preguntas y respuestas
P: ¿Qué es la entalpía?
R: La entalpía es un concepto utilizado en ciencia e ingeniería para calcular el calor y el trabajo de una sustancia.
P: ¿De dónde procede el nombre "entalpía"?
R: El nombre "entalpía" procede de la palabra griega "enthalpos" (ενθαλπος), que significa "poner calor".
P: ¿Quién inventó la idea y la palabra "entalpía"?
R: La científica holandesa Heike Kamerlingh Onnes inventó la idea y la palabra "entalpía" en 1909.
P: ¿Cómo se relaciona la entalpía con la energía?
R: La entalpía da cuenta de la energía utilizada o liberada cuando una sustancia crece o decrece, pero no es lo mismo que la energía.
P: ¿Por qué los científicos suelen calcular el cambio en la entalpía en lugar del cambio en la energía?
R: Los científicos suelen calcular el cambio en la entalpía porque tiene en cuenta la energía utilizada o liberada cuando una sustancia cambia de tamaño.
P: ¿Qué ocurre cuando la energía calorífica entra en un sistema que contiene una cantidad fija de gas?
R: Cuando la energía térmica entra en un sistema que contiene una cantidad fija de gas, puede aumentar la energía interna del gas o provocar que se realice algún trabajo para expandir el sistema.
P: ¿Cómo tiene en cuenta la entalpía los factores de presión y volumen?
R: La entalpía tiene en cuenta los factores de presión y volumen considerando el trabajo realizado, que es el producto de la presión y el volumen.
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