Termodinámica aplicada Termodinámica aplicada a la restauracióna la restauración

y y

Ciclos naturalesCiclos naturales

RecordandoRecordandoPara organizar nuestro aprendizaje acerca del objeto cultural Para organizar nuestro aprendizaje acerca del objeto cultural y su conservación-restauración, abordamos en primer y su conservación-restauración, abordamos en primer término término los materialeslos materiales que conforman el patrimonio que conforman el patrimonio cultural. cultural. En segundo lugar tratamos acerca de los En segundo lugar tratamos acerca de los niveles de niveles de conocimientoconocimiento o como se estudian esos materiales que o como se estudian esos materiales que conforman el patrimonio.conforman el patrimonio.En tercer lugar están En tercer lugar están los procesos los procesos que siguen cada uno que siguen cada uno de estos materiales a lo largo de su existencia, desde que de estos materiales a lo largo de su existencia, desde que son producidos en la naturaleza o en el laboratorio o son producidos en la naturaleza o en el laboratorio o industria hasta que se degradan totalmente a elementos industria hasta que se degradan totalmente a elementos básicos que reinician un nuevo ciclo de compuestos en la básicos que reinician un nuevo ciclo de compuestos en la naturalezanaturaleza

1.- Materiales que conforman el Patrimonio Cultural1.- Materiales que conforman el Patrimonio Cultural

PIEDRA POMEZPIEDRA POMEZ

MACRO MICRO MACRO MICRO COMP. QUIMICA COMP. QUIMICA

Compuesto de dióxido de sílicio y

trióxido de aluminio, entre otros

componentes:71% de SiO2, 12.8% de Al2O3, 1.75% de

Fe2O3, 1.36% de CaO, 3.23% de Na2O,

3.83% de K, 3.88% de H2O.

2.- Niveles de conocimiento

La químicaLa química

La química estudia:La química estudia:La constitución de la materiaLa constitución de la materiaLas transformaciones que se Las transformaciones que se producen o llevan a cabo en la materiaproducen o llevan a cabo en la materiaLa energía involucrada en los La energía involucrada en los procesos o termodinámicaprocesos o termodinámica

Leyes de la TermodinámicaLeyes de la Termodinámica

Cero.- la temperatura tiene sentido oCero.- la temperatura tiene sentido o dirección: fluye de un lugar mas dirección: fluye de un lugar mas caliente a uno menos caliente. caliente a uno menos caliente.

1.1.La energía no se crea ni se destruye La energía no se crea ni se destruye solo se transforma solo se transforma

Leyes de la TermodinámicaLeyes de la Termodinámica

2.2. La entropía del universo va en La entropía del universo va en aumentoaumento

3.3. La temperatura cero no se puede La temperatura cero no se puede lograrlograr

A partir de estos principios se han A partir de estos principios se han establecido las características y establecido las características y procesos de la materia y el fin procesos de la materia y el fin último del universoúltimo del universo

Termodinámica y procesos espontáneosTermodinámica y procesos espontáneos

Des de el punto de vista termodinámico Des de el punto de vista termodinámico se dice que un proceso es espontáneo se dice que un proceso es espontáneo cuando se desarrolla sin un aporte cuando se desarrolla sin un aporte mensurable de energía, sucede en mensurable de energía, sucede en “forma natural” por ejemplo el caso de “forma natural” por ejemplo el caso de un objeto que se deja caer de cierta un objeto que se deja caer de cierta altura o la mezcla homogénea que se altura o la mezcla homogénea que se obtiene cuando un poco de sal de mesa obtiene cuando un poco de sal de mesa se pone en contacto con agua en un se pone en contacto con agua en un recipiente.recipiente.

La piedra regresa a su nivel de menor energía en forma natural es decir en forma espontánea

Los iones que forman la sal se dispersan en el seno del agua en forma espontánea

Procesos espontáneosProcesos espontáneosLa experiencia nos dice que están involucrados dos factores distintos en los procesos que se llevan a cabo en forma espontánea.

El más obvio es una disminución de la energía del sistema. Generalmente es un proceso exotérmico, para cumplir con la primera ley.el caso de un objeto que se deja caer de cierta altura como una piedra, la energía se transforma en sonido y calor

Primer factor: tendencia de un sistema para alcanzar la menor energía posible

La combustión de un hidrocarburo es un proceso espontáneo que genera energía en forma de calor.

C3H8(g)+5O2(g) 3CO2(g)+4H2O(l) Hº = -2202 KJ

Por eso los procesos espontáneos, en general, son exotérmicos.

Procesos espontáneosProcesos espontáneos

Segundo factor: Procesos en los cuales el desorden del sistema aumenta, se incrementa la entropía (2da ley)

Es la razón por la que 2 disolventes similares se mezclan o en general se produce el proceso de disolución. "Los procesos que son espontáneos en una dirección no son espontáneos en la dirección inversa"

2do factor: Entropía2do factor: Entropía La entropía es uno de los conceptos La entropía es uno de los conceptos

termodinámicos mas difíciles de termodinámicos mas difíciles de explicar para los profes y de explicar para los profes y de entender para los alumnos:entender para los alumnos:– La entropía no se puede medir en forma La entropía no se puede medir en forma

directa, pero se pueden medir sus directa, pero se pueden medir sus cambios o manifestacionescambios o manifestaciones

EntropíaEntropía La entropía es una propiedad La entropía es una propiedad

termodinámica abstracta que termodinámica abstracta que representa algunas características representa algunas características intrínsecas de las sustancias intrínsecas de las sustancias relacionadas con la organización de relacionadas con la organización de sus moléculas.sus moléculas.

Se relaciona con el orden y el Se relaciona con el orden y el desorden de los sistemas.desorden de los sistemas.

EntropíaEntropía Los sistemas naturales tienden, Los sistemas naturales tienden,

se comportan, dirigen sus se comportan, dirigen sus cambios, a una situación de cambios, a una situación de equilibrio y dicha situación equilibrio y dicha situación corresponde al máximo de corresponde al máximo de entropía. (Desorden)entropía. (Desorden)

Los sistemas tienden al máximo Los sistemas tienden al máximo desorden para lograr su equilibrio.desorden para lograr su equilibrio.

EntropíaEntropía En el tema de disolución vimos un En el tema de disolución vimos un

esquema que nos muestra los cambios esquema que nos muestra los cambios de energía: se requiere energía para de energía: se requiere energía para separar las moléculas de disolvente, más separar las moléculas de disolvente, más energía para separar las partículas del energía para separar las partículas del soluto y mantenerlas separadas. La soluto y mantenerlas separadas. La fuerza impulsora al final del proceso es el fuerza impulsora al final del proceso es el desorden, el aumento de la entropía del desorden, el aumento de la entropía del sistema. Las partículas de soluto ahora sistema. Las partículas de soluto ahora tienen mucho más espacio para moverse tienen mucho más espacio para moverse

Disolvente + Soluto

Partículas separadas de Disolvente

Partículasseparadas de

Soluto

DISOLUCIÓN

Disolvente

Part. Separadas del Soluto

Cambio de energía en el Cambio de energía en el proceso de disoluciónproceso de disolución

H

H

H

AUMENTO DE ENTROPÍA “S”

Evidencias de la entropíaEvidencias de la entropía Variación de presiones por variación Variación de presiones por variación

de temperatura -de temperatura - clima clima Cuanto sea mayor la diferencia de T Cuanto sea mayor la diferencia de T

mejor funciona una máquina, así mejor funciona una máquina, así una caldera de un barco o un tren.una caldera de un barco o un tren.

La caída de las redes de cómputo.La caída de las redes de cómputo. El deterioro espontáneo de una El deterioro espontáneo de una

construcción sin mantenimiento.construcción sin mantenimiento.

Ciclos naturalesCiclos naturales Lo permanente en la creación o Lo permanente en la creación o

naturaleza es el cambio. Este cambio naturaleza es el cambio. Este cambio está promovido por las leyes de la está promovido por las leyes de la termodinámica, es decir por los flujos de termodinámica, es decir por los flujos de calor y la tendencia al desorden en el calor y la tendencia al desorden en el universo. En los sistemas locales como la universo. En los sistemas locales como la tierra generan ciclos naturales. El ciclo tierra generan ciclos naturales. El ciclo del agua es un buen ejemplo de esto del agua es un buen ejemplo de esto donde el calor del sol inicia el proceso donde el calor del sol inicia el proceso con la evaporación.con la evaporación.

Ciclos naturales en el Patrimonio CulturalCiclos naturales en el Patrimonio Cultural

Todos los materiales de los que está Todos los materiales de los que está constituido el Patrimonio cultural, forman constituido el Patrimonio cultural, forman parte de ciclos naturales. Así la madera de parte de ciclos naturales. Así la madera de una escultura o el papel de un documento una escultura o el papel de un documento están constituidos por fibras de celulosa están constituidos por fibras de celulosa que son cadenas poliméricas de glucosa que son cadenas poliméricas de glucosa (C(C66HH1212OO66) que procede de la fotosíntesis ) que procede de la fotosíntesis de las plantas verdes a partir de COde las plantas verdes a partir de CO22 con con el agua y la luz del sol.el agua y la luz del sol.

Ciclos naturalesCiclos naturales Por lo tanto, en una visión extrema, los Por lo tanto, en una visión extrema, los

elementos químicos que componen una elementos químicos que componen una pieza de papel o de madera continúan un pieza de papel o de madera continúan un proceso cíclico de retorno a su estado mas proceso cíclico de retorno a su estado mas estable como COestable como CO22 y agua, ya sea por y agua, ya sea por reacción directa con el oxígeno (oxidación) reacción directa con el oxígeno (oxidación) catalizado por la luz y la temperatura catalizado por la luz y la temperatura ambientes o promovido por factores ambientes o promovido por factores biológicos como microorganismos o la biológicos como microorganismos o la contaminación. Como se puede ver a contaminación. Como se puede ver a continuación en el ciclo del carbonocontinuación en el ciclo del carbono

Ciclo del CarbonoCiclo del Carbono

El ciclo del carbono y el oxígeno para El ciclo del carbono y el oxígeno para sistemas vivos, en fórmulas químicas sistemas vivos, en fórmulas químicas se representa así:se representa así:COCO22+H+H22O+energía O+energía C C66HH1212OO66+O+O22

F o t o s í n t e s i sF o t o s í n t e s i s

CC66HH1212OO66+O+O22 CO CO22+H+H22O+energíaO+energía R e s p i r a c i ó nR e s p i r a c i ó nproceso termodinámicamente espontáneoproceso termodinámicamente espontáneo

El oxígeno:

El Oxígeno esta presente en la tierra con la siguiente composición: 89% del agua por unidad de masa, 20.9% del volumen del aire,50% de la masa de la arena, barro, piedras calizas y rocas volcánicas que forman la mayor parte de la corteza terrestre

El oxígeno:

El oxígeno es el elemento más electronegativo de la tabla periódica después del flúor por lo que reacciona con todos los demás elementos.

La diferencia es que la abundancia del flúor en la tierra es de sólo 0.065% mientras que el oxígeno alcanza casi el 50% en forma global.

El oxígeno:

 Los compuestos que contienen enlaces O-O y oxígeno en estado de oxidación -1, reciben el nombre de peróxidos.

Los no metales forman óxidos covalentes como SO2 o NO3

El oxígeno: La mayoría de las moléculas simples,

con bajos puntos de fusión y ebullición, SiO2 y B2O3 forman polímeros.

La mayoría de los óxidos no metálicos se combinan con H2O para formar oxácidos o anhídridos ácidos

SO2(g) + H2O(l) H2SO3(ac) Anhidridos ácidos

El oxígeno:

La mayoría de los óxidos metálicos son iónicos y con la presencia de H2O se transforman en hidróxidos

BaO + H2O Ba(OH)2(ac)

El oxígeno:

Los óxidos iónicos que son solubles en H2O tienden a disolverse en ácidos:

Fe2O3(s) + 6H+(ac) 2Fe3+

(ac) + 3H2O(l)

Ciclo del nitrógeno y del fósforoCiclo del nitrógeno y del fósforo El nitrógeno y el fósforo son parte El nitrógeno y el fósforo son parte

importante de los aminoácidos que importante de los aminoácidos que constituyen las proteínas de constituyen las proteínas de animales y ser humano, así como el animales y ser humano, así como el ADN. ADN.

Ciclo del nitrógeno y del fósforoCiclo del nitrógeno y del fósforo De tal forma que en los ciclos que De tal forma que en los ciclos que

siguen en forma natural las proteínas siguen en forma natural las proteínas y el ADN estos elementos se oxidan y el ADN estos elementos se oxidan (degradan) hasta NO(degradan) hasta NO22 PO PO33. Todos los . Todos los materiales proteínicos como seda, materiales proteínicos como seda, lana pergamino, etc. Siguen estos lana pergamino, etc. Siguen estos ciclos.ciclos.

Agentes biológicos se encargan de Agentes biológicos se encargan de promover estos ciclos.promover estos ciclos.

Ciclo del hierroCiclo del hierro Este metal tiene lo que se dice una Este metal tiene lo que se dice una

entalpia (entalpia () de formación de menos ) de formación de menos 822kj/mol o sea que tiene signo 822kj/mol o sea que tiene signo negativo. Esto quiere decir que se negativo. Esto quiere decir que se requiere de toda esta energía para requiere de toda esta energía para obtener fierro laminado y por obtener fierro laminado y por supuesto, una vez obtenido su supuesto, una vez obtenido su tendencia será regresar al nivel más tendencia será regresar al nivel más bajo de energía, es decir oxidarse.bajo de energía, es decir oxidarse.

Ciclo del HierroCiclo del Hierro

Feo + Fe2O3

Metalurgia extractiva

PulverizadoMolidoExtracción de la mina

Refinado

LaminadoE NERGIA

Valor agregado (arte en metal)

H=-822 Kj/mol

PROCESOS DE ALTERACIÓN Y DETERIORO

Son procesos naturales, espontáneos e irreversibles.

Son procesos donde G=H-TS siempre es (-). es decir donde la energía interna (H) del sistema

disminuye y/o la entropía (S) aumenta. Los procesos de alteración y deterioro involucran

ciclos naturales promovidos por el medio ambiente: luz, calor, lluvia, humedad, vientos, contaminación, agentes biológicos.

El medio ambiente actúa sobre los objetos, principalmente oxidándolos.