TERMODINÁMICA

1.- Conceptos .

Termodinámica Es la ciencia que estudia los cambios de energía que tienen lugar en los procesos físicos y químicos.

Termoquímica Es la parte de la Química que se encarga del estudio del intercambio energético de

un sistema químico con el exterior.

Toda reacción química va acompañada siempre de la absorción o del desprendimiento de energía luminosa, eléctrica, mecánica etc., siendo la más frecuente la calorífica.

Sistemas termodinámicos

Se llama:Se llama:

a) Sistema: parte del universo que es objeto de estudio.

b) Entorno: alrededores, medio ambiente. Resto del universo.

UNIVERSO

SISTEMA

ENTORNO

ENERGÍA

Un gas cualquie

ra represen

ta un SISTEM

A.

Un gas cualquie

ra represen

ta un SISTEM

A.

Aislados: que no pueden intercambiar ni materia ni energía.

Cerrados: son aquellos que pueden intercambiar energía, aunque no materia, con los alrededores.

Abiertos: aquellos que pueden intercambiar materia y energía.

Tipos de sistemas

Abierto Cerrado Aislado

Tipos de sistemas

Puedeintercambiar

MateriaEnergía

MateriaEnergía

MateriaEnergía

CLASIFICACIÓNCLASIFICACIÓN• ¿Qué tipo de sistema es lo que representa la siguiente

imagen?

SISTEMA CERRADO

CLASIFICACIÓNCLASIFICACIÓN• ¿Qué tipo de sistema es lo que representa la siguiente

imagen?

SISTEMA ABIERTO

CLASIFICACIÓNCLASIFICACIÓN• ¿Qué tipo de sistema es lo que representa la siguiente

imagen?

SISTEMA ABIERTO

CLASIFICACIÓNCLASIFICACIÓN• ¿Qué tipo de sistema es lo que representa la siguiente

imagen?

SISTEMA AISLADO

UNIVERSO

CLASIFICACIÓNCLASIFICACIÓN• ¿Qué tipo de sistema es lo que representa la siguiente

imagen?

SISTEMA ABIERTO

Determina qué tipo de sistema representan las siguientes fotografías?

VARIABLES TERMODINÁMICASVARIABLES TERMODINÁMICAS

• Al describir el estado de un sistema termodinámico se emplean una serie de magnitudes macroscópicas observables y medibles llamada Variables de Estado, como:

• Presión• Volumen• Temperatura• Masa o número de mol.

VARIABLES TERMODINÁMICASVARIABLES TERMODINÁMICAS

FUNCIONES DE ESTADOFUNCIONES DE ESTADO• Entre las variables termodinámicas

existen magnitudes llamadas funciones de estado. Estas tienen un valor definido y único que depende solo del estado inicial y final del sistema.

∆X = X final – X inicial

A) Isotérmico: Proceso que se lleva a cabo a temperatura constante.

B) Isobárico: Proceso que se lleva a cabo a presión constante.

TIPOS DE PROCESOSTIPOS DE PROCESOS

C) Adiabático: Proceso en el cual no hay transferencia de calor pero sí intercambio de trabajo entre el sistema y el entorno.

• Las variables termodinámicas se clasifican en dos grandes grupos:

A) Variable Extensiva: Son aquellas variables que dependen de la cantidad de materia, y su valor no se puede definir en cualquier punto del sistema.

B) Variable Intensiva: Son aquellas variables que no dependen de la cantidad de materia y su valor se puede determinar en cualquier punto del sistema.

Ejemplo: Masa y Volumen.

Ejemplo: Densidad y Temperatura.

VARIABLES TERMODINÁMICASVARIABLES TERMODINÁMICAS

Energía, Trabajo y Calor

ENERGIAENERGIA

• Corresponde a una propiedad asociada a los objetos y sustancias, y se manifiesta en las transformaciones que ocurren en la naturaleza.

• Las unidades de la energía son las calorías (cal) kilocalorias (kcal) o el Joule (J)

• Para las reacciones químicas se usa el kiloJoule (kj).

1 cal = 4,184 J asi 1 kcal = 4,184 kj

CALOR (Q)CALOR (Q)

CALOR (Q)CALOR (Q)• Se denomina calor (Q) a la

transferencia de energía que se produce de un sistema a otro como consecuencia de una diferencia de temperatura.

• El calor fluye desde el cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura hasta que ambos se igualan (equilibrio térmico).

• No es función de estado.

CALOR (Q)CALOR (Q)

0Q 0Q

El sistema recibe calor

El sistema pierde calor

TRABAJO (W)TRABAJO (W)• Se define como le energía que se

transfiere entre un sistema y su entorno cuando entre ambos se ejerce una fuerza.

• Matemáticamente se define como el producto de la fuerza (F) aplicada sobre un cuerpo y la distancia (d) que este recorre.

W = F x d• No es función de estado.

TRABAJO (W)TRABAJO (W)

El sistema realiza trabajo sobre el entorno

El entorno realiza trabajo sobre el sistema

W <0

W >0

SISTEMA

Q > 0

W > 0 W < 0

Q < 0

ENERGÍA INTERNA (criterio de signos)ENERGÍA INTERNA (criterio de signos)

El trabajo se realiza contra el ambiente

El trabajo se realiza sobre

el sistema

El sistema libera calor

El sistema abosrbe calor

(+) (-)

(+) (-)

PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA

PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICAPRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICA

• Principio de conservación de la energía, el cual establece que: “la energía en el universo permanece constante”. Esto quiere decir que la energía solo se transfiere entre el sistema y su entorno.

∆U = U sistema + U

ambiente

ENERGÍA INTERNA (U)ENERGÍA INTERNA (U)

• Corresponde a la totalidad de la energía cinética y potencial de las partículas de un sistema.

• Es una función de estado.• Es una variable

extensiva.

PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICAPRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICA

• El primer principio de la termodinámica se puede enunciar como: la variación de la energía interna de un sistema es igual al calor absorbido más el trabajo externo realizado por el sistema.

∆U = Q + W

EJEMPLOEJEMPLO• Determina la variación de energía interna para

un sistema que ha absorbido 2990 joule y realiza un trabajo de 4000 joule sobre su entorno.

Según convenio de signos:

Q= 2990 J y W= - 4000 J

∆U = Q + W

∆U = 2990 J + (- 4000 J)

∆U = - 1010 J

Respuesta = El sistema ha disminuido su energía interna en 1010 J.

EJERCICIOEJERCICIO• El trabajo realizado cuando se comprime un

gas en un cilindro, es de 462 J. durante este proceso hay una transferencia de calor de 128 J del gas hacia los alrededores. Determina el cambio de energía para el proceso

Según convenio de signos:

Q= - 128 J y W= 462 J

∆U = Q + W

∆U = - 128 J + 462 J

∆U = 334 J

Respuesta = Como resultado de la compresión y transferencia de calor, la energía interna del gas aumenta

EJERCICIOSEJERCICIOS

1. Un gas se expande y realiza un trabajo sobre los alrededores igual a 325 J. Al mismo tiempo, absorbe 127 J de calor de su alrededor. Determina el cambio de energía interna.

2. El trabajo realizado para comprimir un gas es de 74J. Como resultado, libera 26 J de calor hacia los alrededores. Determina el cambio de energía interna del gas.

ECUACIONES TERMOQUÍMICAS

Expresan tanto los reactivos como los productos indicando entre paréntesis su estado físico, y a continuación la variación energética expresada como H (habitualmente como H0).

Ejemplos:

CH4(g) + 2 O2(g) CO2(g) + 2 H2O(l) H0 = –890 kJ

H2(g) + ½ O2(g) H2O(g) H0 = –241, 4 kJ

El Calor de Reacción o Entalpía (H) viene especificado en cuanto al:

Estado físico y número de moles de los componentes indicados en

la correspondiente ecuación estequiométrica, por tanto, si una ecuación se multiplica por “n” su calor de reacción se multiplica

por “n” y sí la reacción se invierte, el calor de reacción cambia de signo.

Reactivos

En

talp

ia (

H)

Productos

H > 0

Reacción Endotérmica

En

talp

ia (

H)

Reactivos

Productos

H < 0

Reacción Exotérmica

Diagramas de Reacción Diagramas de Reacción

ENTALPÍA ESTÁNDAR DE LA REACCIÓN

Tanto reactivos como productos están en condiciones estándar (p = 1 atm; T = 298 K = 25 ºC; conc. = 1 M).

Se expresa como H0 y como se mide en J o kJ depende de cómo se ajuste la reacción.

Ahora el Hf0 se trata de un “calor molar”, es

decir, el cociente entre H0 y el número de moles formados de producto.

H en una reacción química es constante con independencia de que la reacción se produzca en una o más etapas.

“El calor de reacción (variación de entalpía), es independiente del camino seguido, es decir, es el mismo si la reacción se realiza directamente o a través de etapas intermedias”:

LEY DE HESS.

Ejercicio A: Dadas las reacciones

1) H2(g) + ½ O2(g) H2O(g) H10 = – 241’8 kJ

2) H2(g) + ½ O2(g) H2O(l) H20 = – 285’8 kJ

Calcular la Entalpía de vaporización del agua en condiciones estándar.

La reacción de vaporización es...

H2O(l) H2O(g) H03 = ?

puede expresarse como (1) – (2), luego

H03 = H0

1 – H02

– 241’8 kJ – (–285’8 kJ) = 44 kJ

H0vaporización = 44 kJ /mol