Cuando se quema una hoja de papel, ¿será posible reunir las cenizas y los gases producidos, hacerlos reaccionar y volver al estado inicial? Esto es una empresa muy difícil, por no decir que imposible y entonces hay que admitir que la combustión es un proceso irreversible. Todo mundo tiene una noción cualitativa de los procesos que pueden ser reversibles o irreversibles, pero, ¿es posible cuantificar qué tan irreversible es un proceso?
Si se puede medir la irreversibilidad de los procesos, también es posible comparar unos con otros y determinar cuál es más irreversible que otro. Nótese que estamos definiendo la irreversibilidad de un proceso en función de la dificultad que representa volver al estado original, por lo que, cuanto más difícil es regresar, el proceso es más irreversible, en cambio, cuanto más fácil sea regresar, el proceso se acerca a la reversibilidad.
Cuando en un sistema ocurre un proceso, los cambios de energía libre son un criterio muy útil para determinar su reversibilidad.
Considérese el caso de un sistema que pasa, mediante un proceso exergónico, de un estado inicial A, a un estado final B:
Debido a que el proceso es exergónico, ΔG < 0 y ΔS > 0 y por lo tanto, el paso de A hacia B ocurre con una disminución de la energía libre y un aumento de la entropía, en concordancia con la tendencia universal especificada por la segunda ley de la Termodinámica, el estado B es más estable que el A. ¿Cuánto más estable?, esto depende de la cantidad de energía perdida por el sistema. Cuanto mayor cantidad de energía libre se libera (ΔG se hace negativo), B aumenta su estabilidad, es decir, se hace difícil provocar un cambio en B. Cuanto más negativo sea el cambio de energía libre, ΔG, el regreso de B a A será más difícil, ya que esto implica pasar de una condición estable a una inestable.
Como la energía no se crea ni se destruye, pasar de B hacia A es un proceso endergónico. (ΔG>0) en el cual el sistema tiene que ganar la energía que perdió al pasar de A a B. Cuanto mayor es la energía liberada en el cambio de A a B se requiere mayor cantidad de energía para pasar de B a A y es más irreversible el proceso. Como la reacción que transforma B en A es endergónica, requiere estar acoplada a un proceso exergónico, por lo que el paso de A hacia B es espontáneo, pero el paso inverso no lo es.
Para ilustrar lo anterior, consideremos el ejemplo siguiente:
Supongamos que una roca de cinco kilogramos se encuentra en la parte superior de una ladera (estado inicial A), si se le aplica un pequeño impulso, la energía potencial almacenada en ella se convierte en energía cinética y rueda cuesta abajo. Al llegar al fondo de la ladera, la energía cinética se disipa en forma de calor y alcanza un estado final B. En este proceso se pierde energía libre, que se encontraba como energía potencial, y se gana entropía (ΔG<0, ΔS>0). Nótese como la roca pasó espontáneamente de A hacia B y que después del empuje inicial se movió gracias a la energía potencial almacenada en ella. La energía que se liberó depende de la masa. Una roca de cien toneladas tendrá, al rodar, un ΔG mucho más negativo (liberará más energía) que la de cinco Kilogramos.
El proceso inverso, es decir, subir la roca, no ocurre espontáneamente. Es necesario proporcionar energía, por lo que se puede concluir que el proceso de elevar la roca por una pendiente es irreversible, y no va a ocurrir espontáneamente. ¿Cómo de irreversible? esto depende de la cantidad de energía que se requiera. El proceso es más irreversible con la piedra de cien toneladas que con la de cinco kilogramos.
En resumen, cuando ocurre un proceso exergónico:
- El cambio de energía libre es negativo. (ΔG<0).
- El cambio de entropía es positivo. (ΔS>0).
- El proceso es espontáneo, requiriéndose solamente, para iniciarlo, una pequeña cantidad de energía (energía de activación).
- El proceso es más irreversible cuanto mayor energía libre se libere. (ΔG más negativo).
- El estado final del sistema es más estable que el inicial.
Y en un proceso endergónico:
- Debe estar acoplado a un proceso exergónico para que pueda efectuarse.
- El cambio de energía libre es positivo. (ΔG>0).
- El cambio de entropía es negativo. (ΔS<0).
- El proceso es no espontáneo.
- El proceso es reversible.
El estado final del sistema es más inestable que el inicial.