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TERMODINÁMICA:
CONCEPTOS Y DEFINICIONES
Definir los conceptos básicos en termodinámica, aplicados en sistemas abiertos y cerrados
Objetivos
INTRODUCCIÓN
En esto último radica gran parte
de su aplicabilidad e interés en
química.
Uno de los aspectos más importantes de la química es la producción y el flujo
de la energía
La Termodinámica estudia los intercambios de energía que se producen en los
procesos físico-químicos.
Permite estimar la reactividad
química, (CONSTANTE DE
EQUILIBRIO DE UNA REACCIÓN), a
partir de las propiedades de los
reactivos y productos de reacción.
Las reacciones químicas implican cambios de energía:
La combustión de la gasolina
libera energía
La separación del agua en hidrógeno y
oxígeno, requiere energía
El estudio de la energía y sus transformaciones se conoce como TERMO
DINÁMICA
Therme “calor”
Dynamis “Potencia”
La invención del termómetro se atribuye
a Galileo, aunque el termómetro sellado
no apareció hasta 1650.
Los orígenes de la Termodinámica como ciencia podrían establecerse en la
época de la invención del termómetro, que se atribuye a Galileo
En reacciones que se desarrollan bajo condiciones controladas, la medición de
las variaciones de temperatura permite deducir los intercambios de calor
(calores de reacción).
Termómetro de cristal, basado en el principio físico de que
la densidad de un líquido cambia según la temperatura,
descubierto por Galileo Galilei (1564-1642). En función de
los cambios de temperatura, las bolas de cristal que se
encuentran en el interior del termómetro, se desplazan
hacia arriba o abajo, generándose dos zonas; una en la
parte superior y otra en la parte inferior.
Cada bola lleva una placa grabada con la temperatura de
correspondencia con la densidad del líquido.
La temperatura ambiente es mostrada por la bola mas baja
del conjunto de bolas que se encuentra en la zona superior
del termómetro. Rango de 18 a 24ºC (de 2 en 2 grados)
Los termómetros modernos de alcohol y
mercurio fueron inventados por el físico
alemán Gabriel Fahrenheit, quien también
propuso la primera escala de temperaturas
ampliamente adoptada, que lleva su
nombre.
Punto de fusión del hielo 32ºF
Punto de ebullición del agua 212ºF.
212-32=180
(La magnitud del grado Fahrenheit es
menor que la del grado centígrado)
La escala centígrada, o Celsius, fue
diseñada por el astrónomo sueco
Es utilizada en la mayoría de los países.
El punto de congelación es 0 grados (0 ºC)
y el punto de ebullición es de 100 ºC.
Anders Celsius
Por último
la escala de temperaturas absolutas o
escala Kelvin, tiene su cero a una
temperatura de –273.15ºC,
aunque la magnitud del grado Kelvin es
igual a la del grado Celsius.
Para convertir una temperatura en la
escala Celsius (TC) en su valor en la
escala Kelvin (TK), usamos la expresión:
TK = TC + 273.15
Este área de estudio se desarrolló mucho con la revolución industrial
Interesaba conocer las relaciones entre calor,
trabajo y el contenido energético de los
combustibles.
Maximizar el rendimiento de las máquinas de
vapor
Científicos que destacaron por la realización de investigaciones y
descubrimientos muy relevantes en relación a la Termodinámica fueron, entre
otros, Boltzmann, Carnot, Clapeyron, Clausius, Gibbs, Helmholtz, Hess, Joule,
Kelvin, Maxwell.
…
Electrónica
Eléctrica
INGENIERIA
Mecánica
…
M. Fluidos
Térmica Procesos
Estruc.
Termodinámica Termotecnia
Termodinámica
Técnica
Termodinámica
Química
Procesos
Termodinámicos
Sistemas y
Dispositivos
Campo de estudio de la termodinámica
Conceptos fundamentales
Sistema Internacional de Unidades
• Dimensión: es una cantidad física que define a un sistema de unidades.
• Unidad fundamental: a cada dimensión fundamental se le asigna una unidad llamada fundamental.
• Unidades derivadas: surgen de la combinación de unidades fundamentales, suplementarias y otras derivadas, según la ecuación algebraica que las relaciona.
Sistema Internacional de Unidades
Dimensión Unidad Fundamental
Nombre Símbolo Nombre Símbolo
Longitud L metro m
Masa M kilogramo kg
Tiempo T segundo s
Temperatura Θ kelvin K
Corriente eléctrica I ampere A
Intensidad luminosa candela cd
Cantidad de sustancia n, N mol mol
Propiedades termodinámicas
Masa: Es una propiedad fundamental de tipo escalar y
representa a la cantidad de materia, independiente de su
ubicación geográfica; puede medirse con una balanza en un
campo gravitatorio. Se emplea para determinar si una
propiedad de la sustancia es intensiva o extensiva.
Propiedad: característica inherente a la materia, que
puede medirse.
• Propiedad intensiva: su valor es independiente de la
cantidad de sustancia.
• Propiedad extensiva: su valor depende de la cantidad de
sustancia.
Ejemplos de propiedades:
• Propiedades extensivas:
Volumen, peso, energía cinética, energía potencial
gravitatoria.
• Propiedades intensivas:
Densidad, densidad relativa, peso específico, volumen
específico, presión.
Propiedades termodinámicas
Sistemas termodinámicos
• Sistema: es una porción con masa del universo, la que se separa para su análisis.
• Sistema cerrado: es el que tiene una cantidad fija e invariable de masa y solo la energía cruza su frontera.
• Sistema aislado: un caso particular del sistema cerrado es el sistema aislado, en el cual, no hay transferencia de masa ni de energía a través de su frontera.
• Sistema abierto: permite el paso de energía y de masa a través de su frontera.
Tipos de fronteras
• Puede clasificarse en reales o imaginarias.
Clasificación de fronteras
Frontera
Pasaje de masa Permeable
Impermeable
Interacción térmica Diatérmica
Adiabática
Interacción mecánica Flexible
Rígido
Por ejemplo un sistema está en equilibrio térmico
con el medio ambiente cuando no hay flujo neto
de calor entre ambas partes del universo.
La Termodinámica se relaciona con los estados de
equilibrio
Un estado de equilibrio es aquél en el que las propiedades macroscópicas del
sistema, temperatura, densidad, composición química, etc., están bien definidas
y no varían.
La Termodinámica permite discernir si es posible
pasar de un estado de equilibrio a otro, pero no la
velocidad de dicha transformación.
Ejemplos de funciones de estado son:
temperatura, presión, volumen, energía
interna, entalpía, etc.
Para descripción de los sistemas termodinámicos se hace obteniendo los
valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una función de estado es una propiedad del sistema que tiene cierto valor
definido para cada estado y es independiente de la forma en que se alcanza
este estado.
1
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Una función de ESTADO:
NO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIÓN
ACTUAL
Las propiedades termodinámicas de un sistema dependen de las condiciones
particulares del mismo.
Por ello se definen unas condiciones estándar, que permiten establecer unos
estados de referencia.
Ejemplo: para una muestra de gas dependen de la presión.
Dichas condiciones estándar, son las siguientes:
Para gases puros o en una mezcla de gases, la presión parcial de 105 Pa,
suponiendo comportamiento ideal. El valor de 105 Pa es ligeramente menor
que 1 atmósfera.
Para sustancias disueltas la concentración 1 molal aproximadamente igual a 1
molar), suponiendo comportamiento ideal.
Para sólidos y líquidos puros su forma más estable bajo la presión de 1
atmósfera.
Las condiciones estándar pueden darse para cualquier temperatura.
No obstante las tablas de propiedades termodinámicas en condiciones estándar
suelen recoger datos correspondientes a 25ºC.
La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC, siglas en inglés)
publicó en su página web un glosario revisado en el 2000, en la cual se definen
los términos “Condiciones Normales” (Normal Conditions), “Estándar” (Standard)
y “Condiciones Estándares para los gases” (Standard Conditions for Gases).
Estándar: Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por
acuerdo, que sirve como modelo o regla en la medición de una cantidad o en el
establecimiento de una práctica o procedimiento, en el análisis de la
contaminación del aire, o el uso de los gases, líquidos y sólidos de referencia
estándar para calibrar equipos.
Condiciones Estándares para Gases: A veces se indica con la abreviación
STP. Temperatura: 273,15 K (0ºC). Presión: 105 pascales. La IUPAC recomienda
descontinuar el uso inicial de la presión de 1 atm (equivalente a 1,01325 x 105
Pa) como presión estándar.
Condiciones Normales: Es un término cualitativo que depende de la preferencia
del investigador; a menudo implica la presión del ambiente y la temperatura del
lugar. Es preferible que estas variables de temperatura y presión sean fijadas
como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de
condiciones) empleadas en el estudio.
Ley cero de la termodinámica
• Cuando dos sustancias A y B están en condiciones
térmicas distintas y alcanzan simultánea y
separadamente el equilibrio térmico con un tercer
sistema, originalmente en condición térmica distinta de
los demás, entonces es un hecho experimental que las
sustancias A y B tienen que estar en equilibrio térmico
entre sí. En otras palabras, hay una propiedad que
indiscutiblemente tiene el mismo valor en cada
sustancia que esté en equilibrio térmico; esta propiedad
se llama temperatura.
Temperatura
• En palabras sencillas el mensaje de la ley cero de la
termodinámica es: “todo cuerpo tiene una propiedad
llamada temperatura. Cuando dos cuerpos están en
equilibrio térmico su temperatura es la misma”.
• Es una propiedad fundamental y puede entenderse
como aquella propiedad que permanece invariable
cuando dos sustancias están en equilibrio térmico.
Escalas de temperatura
• Celsius: utilizó los puntos normales de congelación y
ebullición del agua.
Escalas de temperatura
• Escala absoluta o de Kelvin.
• Se demostró que un gas ideal a presión constante tiene
un V=f(T). Se pensó que la temperatura más pequeña
era aquella con volumen igual a cero, ya que no hay
volúmenes negativos. Se asoció O (K) =-273,15 (°C).
Energia
• Es una cantidad física de tipo escalar que
latente o manifiesta es capaz de producir
cambios en la materia o en sus alrededores.
• Pregunta: ¿La energía es propiedad?
Energías en transición: calor y trabajo
Clasificación de energía
Energía
En tránsito Calor (Q) Trabajo(W)
Como propiedad del sistema
Mecánicas
Cinética(EC) Potencial gravitatoria (EP)
Interna(U) Nuclear Potencial eléctrica Eólica Química Etc.
Calor
• Calor: Es energía en tránsito. Se manifiesta cuando dos
o más sistemas con temperaturas distintas se ponen en
contacto mediante fronteras diatérmicas.
• Sensible: se manifiesta cuando la temperatura cambia.
No hay cambio de fase.
• Latente: se manifiesta cuando no cambia la
temperatura. Hay cambio de fase.
Ecuaciones del calor
• Sensible
• Latente
Curva de calentamiento del agua
Signo de calor
Modelo matemático que representa la relación entre los
valores experimentales calor y temperatura
Trabajo
La fuerza es un agente capaz de cambiar o modificar la cantidad de movimiento de un cuerpo con respecto al tiempo.
Signo del trabajo
Trabajo cuasi-estático
• Es aquél en el que la interacción que produce el cambio difiere en menos de un infinitésimo del valor de la propiedad sobre la influye.
• Es el proceso en el que el cambio se efectúa muy lentamente, de tal forma, que el sistema está siempre en equilibrio termodinámico. Sin embargo, el estado final es diferente del inicial.
Experimento de James Prescott Joule
• Un recipiente adiabático contiene una cierta cantidad de
agua, con un termómetro para medir su temperatura, un
eje con unas paletas que se ponen en movimiento por la
acción de una pesa, tal como se muestra en la figura.
Experimento de Joule
• La versión original del experimento, consta de dos pesas iguales que cuelgan simétricamente del eje.
• La pesa, que se mueve con velocidad prácticamente constante, pierde energía potencial, entonces el agua agitada por las paletas se calienta debido a la fricción.
• Si el bloque de masa (m) desciende una altura (h), la energía potencial disminuye en Ep=mgh, y ésta es la energía que se utiliza para calentar el agua (se desprecian otras pérdidas).
Experimento de Joule
• Joule encontró que la disminución de energía potencial es proporcional al incremento de temperatura del agua. La constante de proporcionalidad (la capacidad térmica específica del agua) es igual a 4,186 (J/(g Δ°C)). Por tanto, 4,186 (J) de energía mecánica aumentan la temperatura de 1(g) de agua en 1(°C).
• Se define la caloría como la cantidad de energía calorífica necesaria para elevar 1(°C), la temperatura de 1(g) de agua pura, desde 14,5 (°C) a 15,5 (°C), a una presión normal de 101,325 (kPa) o 1atm.
Energía interna
La energía interna de un sistema, E, puede definirse como la suma de todas las
energías de las partículas, (átomos o moléculas), que constituyen dicho
sistema.
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e
interacciones, no es posible determinar la energía exacta de
ningún sistema de interés práctico.
Normalmente estamos más interesados en determinar las
variaciones de E en un proceso dado. Estas variaciones se
producen por intercambios de calor y/o trabajo.
Joule comprobó en un experimento célebre que se podía
obtener el mismo incremento de temperatura de una masa
de agua calentando (aportando calor al sistema), o bien
agitando dicha masa de agua mediante unas paletas, pero
sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor).
Ello demuestra que se puede modificar la energía interna
de un sistema, (pasar de un estado E1 a un estado E2),
mediante intercambios de calor y/o intercambios de
trabajo.
Por tanto la energía interna es una función de estado del sistema (su valor sólo
depende de los estados inicial y final), el calor y el trabajo intercambiados en un
proceso no son funciones de estado (su valor depende de la forma en que se
realice el proceso).
El calor y el trabajo sólo son formas de intercambio de energía