POTENCIAL TERMODINÁMICO

TERMODINÁMICA

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PANAMÁCENTRO REGIONAL DE CHIRIQUI

TERMODINÁMICA“POTENCIAL TERMODINÁMICO”

PROFESOR: JAIME CONTRERAS

ESTUDIANTES: CABALLERO YERALD

CASTILLO ROYJURADO MANUEL

ORTEGA JORGEPITTI KARENINA

GRUPO 2IC141

INTRODUCCIÓN

Los potenciales termodinámicos (U, H, A, G) son propiedades de estado extensivas. Para cierta masa de control de una sustancia pura, compresible y simple, las

definiciones de H, A y G en términos de la energía interna (U), la presión (P), la temperatura (T) y la entropía (S) son:

H = U + PV entalpia, A = U − TS función de Helmont, G = H − TS función de Gibbs. Como resultado de la segunda ley, una u otra de estas funciones se minimizan en

estados de equilibrio termodinámico bajo ciertas condiciones bastante generales. La segunda ley nos dice que la entropía de un sistema aislado solo puede aumentar. En consecuencia en un estado de equilibrio la entropía de un sistema aislado es

máxima. Si no lo fuera, el sistema tendría una transición espontanea a un nuevo estado de equilibrio, con ∆S > 0, hasta alcanzar el máximo valor de S

¿QUÉ ES UN POTENCIAL TERMODINÁMICO?

o Es una ecuación constitutiva asociada a un sistema termodinámico que tiene dimensiones de energía.

o El calificativo de «potencial» se debe a que en cierto sentido describe la cantidad de energía potencial disponible en el sistema termodinámico sujeta a ciertas restricciones (relacionadas con las variables naturales del potencial).

o Además los potenciales sirven para predecir bajo las restricciones impuestas qué cambios termodinámicos serán espontáneos y cuales necesitarán aporte energético.

LOS CUATRO POTENCIALES MÁS COMUNES

Energía interna

Energía libre de Helmholtz

Entalpía

Energía de Gibbs

donde T = temperatura, S = entropía, P = presión, V = volumen, Ni es el número de partículas y μ el potencial químico.

ENERGÍA INTERNA

Conocida como ecuación fundamental en representación energética.

La importancia de la misma radica en que concentra en una sola ecuación toda la información termodinámica de un sistema.

La obtención de resultados concretos a partir de la misma se convierte entonces en un proceso sistemático.

Algunas variaciones de la energía interna

o Estas relaciones reciben el nombre de ecuaciones de estado. Por lo general no se dispone de la ecuación fundamental de un sistema.

o En ese caso sus sustitución por el conjunto de todas las ecuaciones de estado proporcionaría una información equivalente, aunque a menudo debamos conformarnos con un subconjunto de las mismas.

Al aumentar la temperatura de un sistema, sin que varíe nada más, aumenta su energía interna reflejado en el aumento de la energía térmica del sistema completo o de la materia estudiada.

Convencionalmente, cuando se produce una variación de la energía interna manifestada en la variación del calor que puede ser cedido, mantenido o absorbido se puede medir este cambio en la energía interna indirectamente por la variación de la temperatura de la materia.

ENERGÍA DE HELMHOLTZ

o Es una magnitud extensiva, función de estado y potencial termodinámico, de un sistema termodinámico que mide el trabajo obtenible en un sistema cerrado, en condiciones de temperatura constante.

o No depende del proceso sufrido, sino del estado final e inicial del sistema.

o Se usa para ver qué procesos son espontáneos en condiciones de temperatura y volumen constantes. Si el volumen no se mantiene constante, parte del trabajo se efectúa en el entorno

ENTALPÍA

Es una función de estado de la termodinámica donde la variación permite expresar la cantidad de calor puesto en juego durante una transformación isobárica, es decir, a presión constante en un sistema termodinámico, teniendo en cuenta que todo objeto conocido se puede entender como un sistema termodinámico.

Se trata de una transformación en el curso de la cual se puede recibir o aportar energía (por ejemplo la utilizada para un trabajo mecánico).

En este sentido la entalpía es numéricamente igual al calor intercambiado con el ambiente exterior al sistema en cuestión.

El caso más típico de entalpía es la llamada entalpía termodinámica. De ésta cabe distinguir la función de Gibbs, que se corresponde con la entalpía libre, mientras que la entalpía molar es aquella que representa un mol de la sustancia constituyente del sistema.

LA ENERGÍA LIBRE DE GIBBS

Es un potencial termodinámico, es decir, una función de estado extensiva con unidades de energía, que da la condición de equilibrio y de espontaneidad para una reacción química (a presión y temperatura constantes).

Se simboliza con la letra G mayúscula.

El segundo principio de la termodinámica postula que una reacción química espontánea hace que la entropía del universo aumente, ΔS universo > 0, así mismo ΔS universo ésta en función de ΔS sistema y ΔS alrededores.

Por lo general sólo importa lo que ocurre en el sistema en estudio y; por otro lado el cálculo de Δ Salrededores puede ser complicado.

COEFICIENTES TERMODINÁMICOS

Las derivadas primeras del potencial de Gibbs eran –S(T,p,ni), V(T,p,ni) y μi(T,p,ni).

En relación a las derivadas segundas, se introducen los llamados coeficientes termodinámicos energéticos, térmicos y químicos, de la manera siguiente.

CAPACIDADES TÉRMICASLa derivada segunda (∂_2 G)/∂^T2 , cambiada de signo porque la estabilidad térmica implica que siempre ha de ser ∂>0, reducida a la unidad de masa para evitar que dependa del tamaño del sistema, y multiplicada por la temperatura porque la experiencia muestra que la entropía casi varía linealmente con el logaritmo de la temperatura, es lo que se define como capacidad térmica específica a presión constante (antiguamente llamada calor específico), Cp.

Expansión Térmica

El coeficiente de dilatación térmica es del orden de 10-5K-1 para sólidos.

En este caso suele hablarse de α/3 y no de α, ya que es lineal; aunque los sólidos se dilatan volumétricamente, suele interesar sobre todo

la dilatación a lo largo de una longitud

Factor de compresibilidad

Con el fin de poder referir el comportamiento real de una sustancia (sólido, líquido o gas) al

modelo de gas ideal,

se define el cociente el llamado factor de compresibilidad, Z, como el volumen real

dividido por el volumen que le correspondería en esas condiciones si se comportase como gas

ideal.

APLICACIONES DE LOS POTENCIALES TERMODINÁMICOS

• ENFRIAMIENTO Y LICUEFACCIÓN DE GASES

EFECTO JOULE (EXPANSIÓN LIBRE) Las partículas en todos los gases neutros interactúan vía un potencial que tiene una componente repulsiva a distancias muy cortas (carozo duro) y una interacción atractiva a distancias mayores que decae muy rápidamente con la misma. Si se deja que el gas se expanda, el mismo debe hacer trabajo contra dichas fuerzas atractivas y por lo tanto la temperatura debe disminuir. Este efecto puede ser aprovechado para enfriar un gas

• REACCIONES QUÍMICASEn la representación entropía los potenciales químicos son funciones del volumen y la energía interna, variables que son apropiadas para un sistema cerrado. Sin embargo, la situación experimental habitual es que las reacciones químicas se lleven a cabo en un recipiente abierto a la atmosfera, la cual actúa como un reservorio de presión y temperatura a la vez.

APLICACIONES DE LOS POTENCIALES TERMODINÁMICOS

PRESIÓN OSMÓTICA

El fenómeno de ósmosis se presenta con frecuencia en la naturaleza, especialmente en sistemas biológicos. El mismo puede ser ilustrado mediante un experimento simple. Tomemos un recipiente con agua abierto; introduzcamos un tubo abierto en el extremo superior y cerrado en el inferior por una membrana permeable al agua, pero impermeable al azúcar. Evidentemente el nivel de agua dentro del tubo será igual al nivel fuera del mismo. Ahora introduzcamos azúcar por el extremo superior del tubo, dejando que se forme dentro del mismo una solución de agua azucarada. Veremos que el nivel de agua dentro del tubo sube hasta una altura h por encima del nivel fuera del tubo. El exceso de presión π = ρs h g (donde ρs es la densidad de la solución y g es la aceleración de la gravedad) se conoce como presión osmótica. Una vez alcanzado el equilibrio, la presión del lado de la membrana en contacto con la solución es mayor a la presión en el lado en contacto con el agua en una cantidad π. La membrana debe sostener este desbalance de fuerzas.

APLICACIONES DE LOS POTENCIALES TERMODINÁMICOS

EFECTO JOULE-THOMPSONEn el método de Joule-Thompson se hace escurrir un gas a través de un tapón poroso, desde una cámara mantenida a alta presión a otra cámara a baja presión. Bajo ciertas circunstancias, el gas se enfría o se calienta al pasar a través del tapón. Esto es, dependiendo de las presiones inicial y final, existe una temperatura inicial (llamada temperatura de inversión) por encima de la cual el cambio en temperatura es positivo y por debajo de la cual el cambio es negativo. En el caso de enfriado, el gas puede ser reinyectado en la cámara de alta presión mediante una bomba mecánica, repitiendo el proceso hasta licuar el gas.