¿Qué es un proceso espontáneo?

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Concepto intuitivo de espontaneidad

La espontaneidad es un concepto que en principio es muy intuitivo. Los procesos espontáneos son aquellos que representan la “manera natural” en la que ocurren las cosas en base a nuestra experiencia diaria. Por ejemplo, para nosotros es completamente natural que, si soltamos una roca desde cierta altura, esta caiga al suelo. También es natural que si sacamos un helado del refrigerador y lo dejamos expuesto al sol acabará derritiéndose, por lo que cualquiera de estos ejemplos son procesos espontáneos.

Incluso podemos entender a la vida misma como una combinación increíblemente compleja de millones de procesos espontáneos que ocurren simultáneamente y de manera coordinada, desde el ingreso de aire durante la respiración, la absorción de oxígeno por la sangre en los alvéolos pulmonares y la producción de ATP en la mitocondria, hasta el uso de dicho ATP para mantener la contracción muscular que nos ayuda a sostener una roca en la mano y los impulsos nerviosos que nos llevan a relajar estos músculos para que la soltemos y luego caiga al suelo. Todos son procesos espontáneos.

Lo que no es espontáneo es que ocurra cualquiera de los procesos mencionados en dirección contraria. Es decir, no es natural o espontáneo que una roca repentinamente salte del suelo sin intervención externa y aterrice en nuestra mano a un metro de altura.

Concepto termodinámico de espontaneidad

La espontaneidad, es decir, la cualidad que hace que un proceso sea espontáneo, es un campo de estudio importantísimo en la termodinámica. De hecho, se podría decir que es el tema más importante estudiado por esta rama de la ciencia, ya que permite entender por qué los sistemas evolucionan naturalmente de un estado a otro y permite además predecir en qué sentido evolucionará un sistema dadas ciertas condiciones iniciales. En vista de esto, se debe definir un proceso espontáneo de una manera más técnica y en función de los distintos conceptos de esta área del conocimiento.

En este sentido, un proceso espontáneo consiste en la evolución en el tiempo de un sistema termodinámico desde un estado inicial a uno final sin el aporte de ningún tipo de energía de una fuente externa, es decir, de sus alrededores. También lo podemos definir como la evolución natural en el tiempo de un sistema aislado, ya que, por definición, estos sistemas no interactúan de ninguna manera con los alrededores.

Desde el punto de vista anterior y dado que el universo en el que vivimos es el único sistema termodinámico aislado por excelencia, todo proceso que ocurre en el universo debe ser un proceso espontáneo, ya que, si ocurrió, lo hizo sin aporte alguno de lo que sea que está fuera del universo (si es que hay algo allí).

La segunda ley de la termodinámica y los criterios termodinámicos de espontaneidad

Como mencionamos hace un momento, el estudio de los procesos espontáneos le permite a la termodinámica entender por qué algunos procesos son espontáneos y por qué otros no. Esto ha llevado al establecimiento de lo que se conoce como criterios de espontaneidad, los cuales están resumidos en la segunda ley de la termodinámica. Como su nombre sugiere, estos son criterios que nos permiten evaluar si un proceso es o no espontáneo en el sentido propuesto.

Gracias a estos estudios se ha logrado establecer que la espontaneidad está asociada a aquellos procesos que lleven a la disipación de la energía. Se entiende por disipación de la energía de un sistema a la pérdida de una forma de energía concentrada y utilizable por el sistema (por ejemplo, energía potencial) en forma de energía térmica. Esta última consiste en el movimiento aleatorio y desordenado de las partículas que conforman a la materia.

La cantidad de energía térmica disipada durante un proceso espontáneo está cuantificada por la variación de entropía del proceso (ΔS). La entropía es una medida del desorden de un sistema termodinámico que depende únicamente del estado en el que este se encuentra. Esto nos permite establecer un concepto termodinámico más preciso de lo que es un proceso espontáneo, concepto que resulta ser, al mismo tiempo, una de las formas de enunciar la segunda ley de la termodinámica:

En un sistema aislado, un proceso espontáneo es aquel que conlleva la disipación de la energía y que, por lo tanto, produce un aumento de la entropía del sistema (ΔS>0).

Criterio global de espontaneidad

Este concepto pareciera ser poco útil, ya que define a los procesos espontáneos solo para sistemas aislados. Cabría preguntarnos, entonces, ¿qué sucede si queremos estudiar un proceso en un sistema abierto tal como, por ejemplo, una célula?

La respuesta ya la presentamos antes. Resulta que la segunda ley, tal como está enunciada, en realidad nos permite establecer un criterio de espontaneidad global que aplica a cualquier tipo de sistema, aislado o no.

Recordemos que el universo es, por definición, un sistema aislado, así que la segunda ley implica que cualquier proceso que ocurra dentro del universo será espontáneo, siempre y cuando la entropía del universo aumente (ΔSUniverso>0). Como cualquier sistema que nos podamos imaginar por definición pertenece al universo, entonces cualquier proceso que ocurra dentro de un sistema, sea este abierto, cerrado o aislado, también estará ocurriendo dentro del universo. En consecuencia, sin importar el tipo de sistema, un proceso espontáneo será aquel que produzca un aumento en la entropía del universo o, lo que es lo mismo, que lleve a un aumento en el desorden del universo.

Criterios de espontaneidad menos generales

La entropía del universo nos proporciona el criterio general para definir un proceso espontáneo, sin embargo, no siempre es fácil calcular la variación de entropía para algunos procesos. En vista de esto, se han establecido una serie de criterios termodinámicos para procesos que ocurren en condiciones muy específicas y que implican que la variación de la entropía del universo será positiva. Estos criterios son:

CondicionesPropiedad del sistemaCriterio de espontaneidad
Procesos a U y V constantes (sistemas aislados)Entropía (S)ΔS>0
Procesos a P y T constantesEnergía libre de Gibbs (G)ΔG<0
Procesos a V y T constantesEnergía libre de Helmholtz (A)ΔA<0
Procesos a V y S constantesEnergía interna (U)ΔU<0

De todos estos criterios, el de uso más común es el de la energía libre de Gibbs, ya que es el criterio que se aplica por excelencia a las reacciones químicas. Esto es especialmente cierto en el campo de la bioquímica, donde la energía libre de Gibbs permite predecir la dirección de procesos que van desde la síntesis de proteínas hasta el paso de iones a través de canales en la membrana durante el potencial de acción de una neurona.

Ejemplos de procesos espontáneos

Reacciones de combustión

Las reacciones de combustión son procesos exotérmicos en los que se combina un combustible orgánico con oxígeno para producir dióxido de carbono, agua y otros productos, dependiendo de la composición. Como sabemos, estas reacciones son espontáneas, ya que, una vez comenzada la llama, la reacción continúa ocurriendo hasta que se consuma el reactivo limitante.

la combustión como proceso irreversible

Lo exotérmico de estos procesos hace que su energía libre de Gibbs siempre sea negativa, razón por la cual estas reacciones siempre son espontáneas.

Cambios de fase

Cuando colocamos una sustancia sólida en un ambiente que se encuentra a una mayor temperatura que su punto de fusión, eventualmente ocurrirá el cambio de fase de estado sólido a líquido de manera espontánea. Por ejemplo, el hielo expuesto al aire en un día caluroso se derrite.

Fusión del hielo como ejemplo de proceso irreversible

Lo contrario también es cierto. Es decir, si colocamos un líquido en un medio que se encuentra a una temperatura menor que su punto de fusión, el mismo se solidificará de manera espontánea. Esto es lo que ocurre cuando dejamos agua líquida dentro del congelador o afuera en una noche fría de invierno.

El proceso de evaporación de un líquido (paso de líquido a gas) cuando está en un ambiente en el que hay muy poca de esta sustancia en estado gaseoso también es un proceso espontáneo, y no requiere calentar hasta su punto de ebullición. Esto lo vemos todos los días cuando dejamos secar la ropa mojada al aire.

Desaceleración por efecto de la fricción

Otro ejemplo de un proceso espontáneo es la pérdida de velocidad o desaceleración debida a la fricción o el roce. Es una observación cotidiana que las cosas que se deslizan sobre cualquier superficie, sin importar qué tan pulida esté, terminan frenándose y disipando toda la energía cinética en forma de calor transferido a la superficie.

También podemos ver este mismo proceso espontáneo cuando una nave espacial, como por ejemplo cuando el transbordador espacial de la NASA o la cápsula Crew Dragon de SpaceX reingresan a la atmósfera terrestre después de estar en órbita. La desaceleración es tan dramática y produce tanto calor que literalmente hace estallar al aire de la atmósfera, el cual se comprime y se calienta hasta convertirse en un jet de plasma que se puede ver incluso de día.

Disipación de la energía potencial de una pelota al rebotar

Como último ejemplo tenemos lo que sucede con una pelota de goma cuando la soltamos sobre el suelo desde determinada altura. Al principio, la pelota posee energía potencial debido a su altura. Al soltarla, la energía potencial se transforma en energía cinética a medida que la pelota gana velocidad. Al golpear en el suelo, la energía cinética se transforma en energía potencial elástica a medida que la pelota se deforma. Luego esta energía es liberada y la pelota rebota.

Las leyes de la mecánica y la conservación de la energía predicen que la pelota debería rebotar nuevamente hasta la misma altura anterior, pero lo que observamos es que la pelota rebota cada vez menos hasta que termina en reposo en el suelo. Este proceso es espontáneo y se debe a que la energía potencial inicial se va disipando en forma de calor debido al roce con el aire y debido a deformaciones plásticas en la superficie en la que rebota.

Referencias

Atkins, P., & de Paula, J. (2010). Atkins. Química física (8.a ed.). Editorial Médica Panamericana.

Chang, R. (2002). Fisicoquimica (1.a ed.). MCGRAW HILL EDDUCATION.

Procesos espontáneos. (s. f.). Liceo AGB. https://www.liceoagb.es/quimigen/termo7.html

Ricardo, R. (2020, 9 septiembre). Proceso espontáneo: definición y ejemplos. Estudyando. https://estudyando.com/proceso-espontaneo-definicion-y-ejemplos/

UNAM. (s. f.). CRITERIOS DE ESPONTANEIDAD. Departamento de Fisicoquímica de la UNAM. http://depa.fquim.unam.mx/~fermor/blog/programas/2010clase1.pdf

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Israel Parada (Licentiate,Professor ULA)
(Licenciado en Química) - AUTOR. Profesor universitario de Química. Divulgador científico.

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