1. La entalpa2. 3. Calor especfico y capacidad calorfica4. Calorimetra a volumen constante5. Calorimetra a presin constante6. Calor latente de fusin7. Calor de sublimacin8. Calor de vaporizacin9. Curva de calentamiento10. Curva de enfriamiento11. Fuerzas intermoleculares12. Interacciones Ion-Dipolo13. Enlace Dipolo Dipolo14. Fuerzas de dispersin de London15. Puentes de hidrgeno16. BibliografaComo sabemos una de las unidades de la medida delcalores la calora, que se define como el calor que es necesario aplicar a un gramo deagua, para que sutemperaturaaumente de 14,5C a 15,5C sea 1C.La calora esta relacionada con otras unidades de energa as:1 calora = 0,001 Kcal = 3,96 x 10-3 BTU = 4,186 Joul = 4,186 x 107 ergiosLA ENTALPALa Entalpa es la cantidad de energa de unsistematermodinmico que ste puede intercambiar con su entorno. Por ejemplo, en una reaccinqumicaapresinconstante, elcambiode entalpa del sistema es el calor absorbido o desprendido en la reaccin. En un cambio de fase, por ejemplo de lquido agas, el cambio de entalpa del sistema es el calor latente, en este caso el de vaporizacin. En un simple cambio de temperatura, el cambio de entalpa por cada grado de variacin corresponde a la capacidad calorfica del sistema a presin constante. El trmino de entalpa fue acuado por el fsico alemn Rudolf J.E. Clausius en 1850. Matemticamente, la entalpa H es igual a U + pV, donde U es la energa interna, p es la presin y V es elvolumen. H se mide en julios.H = U + pVCuando un sistema pasa desde unas condiciones iniciales hasta otras finales, se mide el cambio de entalpa ( H).H = Hf HiLa entalpa recibe diferentes denominaciones segn elproceso, as:Entalpa de reaccin, entalpa de formacin, entalpa decombustin, entalpa de disolucin, entalpa de enlace, etc; siendo las ms importantes:ENTALPIA DE REACCIN:Es el calor absorbido o desprendido durante una reaccin qumica, a presin constante.ENTALPA DE FORMACIN:Es el calor necesario para formar una mol de una sustancia, a presin constante y a partir de los elementos que la constituyen.Ejemplo:H2 (g) + O2 (g) = > H2O + 68.3KcalCuando se forma una mol de agua (18 g) a partir dehidrgenoyoxgenose producen 68.3 Kcal, lo que se denomina entalpa de formacin del agua.ENTALPA DE COMBUSTIN:Es el calor liberado, a presin constante, cuando se quema una mol de sustancia.Ejemplo:CH4 (g) + 2O2 (g) => 2CO2 (g) + 2H2O (l) H = -212.8 KcalLo que significa que cuando se queman 16 g demetanose desprenden 212.8 Kcal.Estas entalpas se determinan normalmente a 25C y 1atm. Para determinar la entalpa estndar de formacin de las sustancias, se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones:1. La entalpa estndar de formacin de los elementos puros, libres y tal como se encuentran en suestadonatural es cero.Por ejemplo:H2 (g), O2 (g), N2 (g), Cl2 (g), Na (s), etc, tienenHf25 = 0, donde Hf25 es la entalpa estandar de formacin.2. Elcarbonose presenta a 25C 1 atm de presin y enel estadoslido, de varias formas: diamante, grafito, antracita, hulla, coke, etc, pero su estado estandar se define para el grafito, o sea Hf25 del grafito es igual a cero.3. El azufre se presenta en dos estados alotrpicos, el rombico y el monocclico; su entalpa estandar se define para el rombico o sea Hf25 del rombico es igual a cero.ENTALPA ESTNDARde una ecuacin general:

Se calcula restando las entalpas estndares de formacin de los reactivos de las entalpas estndares de formacin de losproductos, como se ilustra en la siguiente ecuacin:

CALORIMETRASegn lasteorasque iniciaron el estudio de la calorimetra, el calor era una especie de fluido muy sutil que se produca en las combustiones y pasaba de unos cuerpos a otros, pudiendo almacenarse en ellos en mayor o menor cantidad. Posteriormente, se observ que, cuando se ejerca untrabajomecnico sobre un cuerpo (al frotarlo o golpearlo, por ejemplo), apareca calor; hecho que contradeca el principio de conservacin de la energa, ya que desapareca una energa en forma de trabajo mecnico, adems de que se observaba la aparicin de calor sin que hubiese habido combustin alguna. Benjamin Thompson puso en evidencia este hecho cuando diriga unos trabajos de barrenado de caones observando queel aguaderefrigeracinde los taladros se calentaba durante el proceso. Para explicarlo, postul lateorade que el calor era una forma de energa. Thompson no consigui demostrar que hubieseconservacin de energaen el proceso de transformacin de trabajo en calor, debido a la imprecisin en los aparatos de medidas que us. Posteriormente, Prescott Joule logr demostrarlo experimentalmente, llegando a determinar la cantidad de calor que se obtiene por cada unidad de trabajo que se consume, que es de 0,239 caloras por cada julio de trabajo que se transforma ntegramente en calor.La Calorimetra es la rama de latermodinmicaque mide la cantidad de energa generada enprocesosde intercambio de calor. El calormetro es el instrumento que mide dicha energa. El tipo de calormetro de uso ms extendido consiste en un envase cerrado y perfectamente aislado con agua, un dispositivo para agitar y untermmetro. Se coloca una fuente de calor en el calormetro, se agita el agua hasta lograr elequilibrio, y el aumento de temperatura se comprueba con el termmetro. Si se conoce la capacidad calorfica del calormetro (que tambin puede medirse utilizando una fuente corriente de calor), la cantidad de energa liberada puede calcularse fcilmente. Cuando la fuente de calor es un objeto caliente de temperatura conocida, el calor especfico y el calor latente pueden ir midindose segn se va enfriando el objeto.CALOR ESPECFICO Y CAPACIDAD CALORFICAEl calor especfico (s) de una sustancia es la cantidad de calor necesario para elevar un grado Celsius la temperatura de un gramo de la sustancia. La capacidad calorfica (C) de una sustancia es la cantidad de calor necesario para elevar un grado Celsius la temperatura de una cantidad determinada de sustancia. El calor especfico es unapropiedadintensiva, en tanto que la capacidad calorfica es una propiedad extensiva. La relacin entre la capacidad calorfica y el calor especfico de una sustancia es:C = msDonde m es la masa de la sustancia en gramos. Por ejemplo el calor especfico del agua es 4.184 J/g . C y la capacidad calorfica de 60 gramos de agua es:(60.0 g)(4.184 J/g . C) = 251 J/CSUSTANCIACALOR ESPECFICO (J/g.C)

Aluminio0.900

Oro0.129

C(grafito)0.720

C(diamante)0.502

Cobre0.385

Hierro0.444

Mercurio0.139

Agua4.184

Etanol2.46

Tabla 1. Calor especfico de algunas sustanciasSi se conoce el calor especfico y la cantidad de una sustancia, entonces el cambio en la temperatura de unamuestra(t) indicara la cantidad de calor (q) que se ha absorbido o liberado en un proceso en particular. La ecuacin para calcular el cambio de calor esta dad por:

donde m es la masa de la muestra y t es el cambio de la temperatura:

El signo convencional de q es igual que para el cambio de entalpa; que es positivo para procesos endotrmicos y negativo para procesos exotrmicos.CALORIMETRA A VOLUMEN CONSTANTE

Figura 1diagramade bomba calorimtricaPara medir el calor de combustin se coloca una masa conocida de un compuesto en un recipiente deacero, denominado bomba calorimtrica a volumen constante, que se llena con oxgeno, a ms o menos 30 atm de presin. La bomba cerrada se sumerge en una cantidad conocida de agua. La muestra se enciende elctricamente y el calor producido por la reaccin de combustin se puede calcular con exactitud al registrar el aumento en la temperatura del agua. El calor liberado por la muestra es absorbido por el agua y por el calormetro. Eldiseoespecial de la bomba calorimtrica permite suponer que no hay prdida de calor (o de masa) hacia los alrededores durante eltiempoen que se hacen las mediciones.Como consecuencia, se puede decir que la bomba calorimtrica y el agua en que se sumerge constituyen un sistema aislado. Debido a que no entra ni sale calor del sistema durante el proceso, se puede escribir:

donde qagua, qbomba y qreaccin son los cambios de calor del agua, de la bomba y de la reaccin, respectivamente. As:

La cantidad qagua se obtiene por:

Elproductode la masa de la bomba por su calor especfico es la capacidad calorfica de la bomba, que permanece constante para todos losexperimentosefectuados en dicha bomba calorimtrica:De aqu

Como es una bomba calorimtrica las reacciones ocurren bajo condiciones de volumen constante y no de presin constante, los cambios de calor no corresponden al cambio de entalpa H. Es posible corregir las mediciones en los cambios de calor de forma que correspondan alos valoresde H, pero debido que la correccin es muy pequea.CALORIMETRA A PRESIN CONSTANTESabemos que DH se define como la cantidad de calor transferida a presin constante,(DH = qp), entonces un calormetro para medir ello tendr el siguiente esquema:

Figura 2 diagrama de un calormetroEl regulador de presin puede ser simplemente un agujero que permita que la presin sea la misma que la presin atmosfrica Para aquellas reacciones que se hacen en agua en disoluciones diluidas, el calor especfico de la disolucin ser aproximadamente igual al del agua, esto es, 4.18 J g-1 K-1 El calor absorbido por una disolucin acuosa es igual al calor liberado por la reaccin de los solutos:qdisolucin = -qrxnSi la reaccin libera calor, es una reaccin exotrmica y el DH esnegativa. La entalpa de los productos es menor que la de los reactivosDH =Hproductos-HreactivosEn un calormetro con una disolucin acuosa, si la reaccin de los solutos es exotrmica, la disolucin absorber el calor producido por la reaccin y se observar un incremento en la temperatura.De manera que para una reaccin exotrmica: Los solutos tienen una entalpa final menor despus de la reaccin (DH negativa) La disolucin tiene una entalpa final mayor despus de la reaccin (DH positiva)De manera que para determinar elvalorde DHrxn debemos invertir el signo de DHsoln (es decir el valor medido)CALOR LATENTE DE FUSINEl calor latente defusines el calor absorbido en la fusin de 1 g de sustancia a temperatura constante.Los calores de fusin de las sustancias son muy inferiores a sus calores de vaporizacin. Para el hielo es igual a 79,7 caloras por gramo.La temperatura de fusin varia, aunque muy poco, con la presin aplicada a la sustancia; en general, en los slidos ms densos que el lquido la temperatura de fusin aumenta al elevar la presin, mientras que el caso contrario tal como el hielo, la temperatura de fusin disminuye al elevar la presin.CALOR DE SUBLIMACINEl calor de sublimacin es la cantidad de calor necesario para sublimar a temperatura constante 1 g de sustancia en estado slido.El calor de sublimacin de una sustancia es igual a la suma del calor de fusin ms el calor de vaporizacin, ya que el paso directo de slido-vapor puede realizarse en las dos etapas equivalentes slido-liquido y liquido-vapor.CALOR DE VAPORIZACINCuando un lquido se encuentra a la temperatura de ebullicin, para pasarlo a estado de vapor hay necesidad de aplicarle una cantidad de calor adicional, para romper las fuerzas atractivas intermoleculares, a este calor necesario para evaporar cierta cantidad de sustancia se le conoce con el nombre de calor de vaporizacin.El calor de vaporizacin se conoce como calor latente de vaporizacin puesto que al aplicarlo, no hay cambio en la temperatura del sistema.

donde m es la cantidad de sustancia a evaporar y Hv es el calor de vaporizacin.CURVA DE CALENTAMIENTOPara ver el grfico seleccione la opcin "Descargar" del men superiorFigura 3 Curva de calentamientoen la figura 3 se presenta la grafica de una curva de calentamiento completa desde el estado slido, hasta el estado de vapor.Supongamos que se tiene una sustancia en el estado slido en un tiempo to a una temperatura inicial Ti (figura 3). Si empezamos a adicionar calor progresivamente, su temperatura empieza a aumentar (calor sensible) hasta llegar a la temperatura de fusin Tf en el tiempo t1.La cantidad de calor gastado entre to y t1 se calcula por la expresin:

donde:Q1 = cantidad de calor en caloras.m = masa (gramos) de sustancia que se esta calentando en el estado slido.Ces = es el calor especfico de la sustancia en el estado slido (cal/g C)Tf Ti = Representa el cambio de temperatura (T) en ese intervalo.Cuando la sustancia se encuentra a la temperatura de fusin, hay necesidad de aplicarle calor latente de fusin (Hfusin) para convertirla en lquido (intervalo t1 a t2 ), el calor total de este intervalo depende de la masa.

Cuando todo el slido se haya transformado en lquido (t2), al aplicar calor empieza nuevamente a incrementarse la temperatura (calor sensible) hasta el tiempo (t3), donde el lquido alcanza su temperatura de ebullicin.El calor aplicado entre t2 y t3 se calcula por la expresin:Cel es el calor especfico de la sustancia en el estado lquido (cal/g C)Cuando la sustancia se encuentra en la temperatura de ebullicin, hay necesidad de aplicarle el calor latente de vaporizacin (Hv) para convertirla en vapor (intervalo t3 a t4).El calor total de este intervalo depende de la masa:

Cuando todo el lquido se halla transformado en vapor (t4), al aplicarle calor empieza de nuevo a incrementarse la temperatura (calor sensible) hasta el tiempo final (t5) y la temperatura final (Tf). En el lapso de tiempo t4 a t5 se aplico una cantidad de calor que se calcula por la expresin:donde Cev es el calor especfico de la sustancia en el estado de vapor (cal/g C).El calor total aplicado durante el proceso de calentamiento es la suma de todos los calores o sea:

CURVA DE ENFRIAMIENTOPara ver el grfico seleccione la opcin "Descargar" del men superiorEn la figura 4 se presenta la grfica de una curva de enfriamiento completa, desde el estado de vapor, pasando por el lquido, hasta el slido.Supongamos que se tiene una sustancia en el estado de vapor en un tiempo to a una temperatura inicial Ti (figura 4). Si empezamos a extraer calor progresivamente, su temperatura empieza a descender (calor sensible) hasta llegar a la temperatura de licuefaccin TL en el tiempo t1.La cantidad de calor extrado entre to y t1 se calcula por la expresin:

donde TL : es temperatura de licuefaccin e igual numricamente a Teb.Cuando la sustancia se encuentra a la temperatura de licuefaccin, hay necesidad de extraerle el calor latente de licuefaccin (-HL) para convertirla en lquido (intervalo t1 a t2 ), el calor total de este intervalo depende de la masa.

Cuando todo el vapor se haya transformado en lquido (t2), al extraer calor empieza nuevamente a descender la temperatura (calor sensible) hasta el tiempo (t3), alcanza la temperatura de solidificacin (Ts).El calor aplicado entre t2 y t3 se calcula por la expresin:

Cuando la sustancia se encuentra en la temperatura de solidificacin, hay necesidad de extraerle el calor latente de solidificacin (-Hs) para convertirla en slido(intervalo t3 a t4).El calor total de este intervalo depende de la masa:

Cuando todo el lquido se ha transformado en slido (t4), al extraerle calor empieza de nuevo a descender la temperatura (calor sensible) hasta el tiempo final (t5) alcanza la temperatura final deseada Tf.El calor en este intervalo se calcula por la expresin:

El calor total extrado durante el proceso de enfriamiento es la suma de todos los calores o sea:

FUERZAS INTERMOLECULARESLas propiedadesfsicasde una sustancia dependen de su estado fsico.El vapor de agua, el agua lquida y el hielo tienen exactamente las mismaspropiedades qumicas, pero suspropiedades fsicasson considerablemente diferentes.El tipo de enlace de una sustancia determina: Distancias y ngulos de enlace Energas de enlace Es decir sus propiedades qumicasLas fuerzas intermoleculares de una sustancia determinan sus propiedades fsicasGASES Son una coleccin de molculas muy separadas entre s, pues la energa cintica de las molculas es mayor que las fuerzas atractivas entre las molculas La ausencia de cualquierfuerzaatractiva significativa entre las molculas, les permite expandirse hasta llenar el recipiente que lo contiene Si las fuerzas atractivas empiezan a ser significativas, losgasesexhibencomportamientodiferente que al del gas idealLquidos Las fuerzas de atraccin intermolecular son suficientemente grandes como para mantener a las molculas cerca unas de otras Los lquidos son ms densos y menos compresibles que los gases Los lquidos tienen un volumen definido que es independiente de la forma y tamao del recipiente que los contiene. Las fuerzas atractivas no son suficientes como para mantener a las molculas vecinas en posicin fija y las molculas se mueven. De manera que los lquidos pueden vaciarse y asumen la forma del recipiente.Slidos Las fuerzas intermoleculares entre molculas vecinas son ahora suficientemente grandes para mantenerlas en posiciones fijas unas respecto a las otras Los slidos (como los lquidos) no son compresibles debido a la ausencia de espacio entre las molculas vecinas Si las molculas en un slido adoptan un empaquetamiento ordenado, se dice que laestructurade las molculas es cristalina Debido a la magnitud de las fuerzas intermoleculares entre molculas vecinas, los slidos son rgidosUn examen de las propiedades de los diferentes estados de la material, nos convence de que el estado de una sustancia depende del balance entre la energa cintica de las partculas individuales que componen a cada sustancia (molculas, iones o tomos) y las fuerzas intermoleculares.La Energa Cinticamantiene a las molculas enmovimientoy depende de la temperatura (est enfuncinde la temperatura) de la sustanciaLas fuerzas intermolecularesintentan mantener a las molculas juntas. Los gases tienen fuerzas moleculares ms dbiles que los lquidos Los lquidos tienen fuerzas moleculares ms dbiles que los slidos Tanto los slidos como los lquidos tienen sus partculas muy cercanas unas a otras, por ello les llamamosfases condensadaspara distinguirlas de los gasesINTERACCIONES ION-DIPOLOSe trata de unainteraccinentre union cargadoy unamolcula polar(es decir undipolo). Los cationes se vern atrados por el lado negativo de un dipolo. Los aniones se vern atrados por el lado positivo de un dipolo.La magnitud de la energa de esta interaccin depende de la carga del ion (Q), el momento dipolo de la molcula (m) y la distancia del centro del ion al punto medio del dipolo (d)

Este tipo de interacciones tienen gran importancia al estudiar el comportamiento de las disoluciones de sustancias inicas en disolventes polares (por ejemplo sal en agua).

ENLACE DIPOLO DIPOLOOcurre cuando los tomos de una molcula tienen diferencias de c, se polarizan, produciendo un dipolo. Cuando dos dipolos se avecindan, se atraen, dando como resultado un enlace.Si los tomos muy electronegativos se encuentran unidos directamente a un H, tambin se formar un dipolo. Estas interacciones se presentan entre las molculas neutras polares. Las molculas polares se atraen entre s cuando la carga parcial positiva de una molcula est cerca de la carga parcial negativa de otra Las molculas polares deben de estar cerca unas de otras para que la fuerza atractiva de la interaccin sea significativa Las interaccionesdipolo-dipoloson mucho menores que las interaccionesIon-dipolo Las fuerzasdipolo-dipolocrecen al incrementarse la polaridad de una molcula.Para ver el grfico seleccione la opcin "Descargar" del men superiorLos puntos de ebullicin de las molculas polares de masa parecida crecen al crecer el dipolo:

SustanciaMasa molecular (uma)Momento dipolo, m(D)Punto de ebullicin (K)

Propano440.1231

Dimetil ter461.3248

Cloruro de metilo502.0249

Acetaldehdo442.7294

Acetonitrilo413.9355

FUERZAS DE DISPERSIN DE LONDONNo pareciera que las molculas no-polares tengan ninguna basefsicapara tener interacciones atractivas. Sin embargo, los gases de las molculas no-polares pueden licuarse, y esto indica que si la energa cintica se reduce, existe algn tipo de interacciones atractivas que predominan.Fritz London (1930) sugiere que el movimiento de los electrones en untomoo una molcula no polar puede dar como resultado un dipolo transiente (transiente quiere decir que tiene tiempos de vida muy cortos)Cmo actan las fuerzas de dispersin de London?El helio tiene 2 electrones consideremos que estos electrones son partculas, ladistribucinpromedio de los electrones alrededor del ncleo es esfricamente simtrica, los tomos no tienen dipolo y por tanto su momento dipolo es cero; sin embargo, puede ocurrir que la distribucin de los electrones alrededor del ncleo de cada tomo en un instante dado, no sea completamente simtrica. As puede pasar que: Ambos electrones queden en el mismo lado del ncleo, esto dar como resultado que en ese instante el tomo tenga un dipolo aparente y por tanto un el momento dipolo sea diferente de cero, es decir que haya un dipolo transiente. Un tomo vecino que se encuentre cerca de este tomo, se ver influido por este dipolo, los electrones de este tomo se alejarn de la regin negativa del dipolo, es decir, debido a la repulsinelectrnica, un dipolo temporal puede inducir un dipolo similar en un tomo vecino, si este est lo suficientemente cercano esto, causar que los tomos vecinos se sientan atrados unos a los otros. A este fenmeno se le conoce con el nombre de interacciones de dispersin de London (o simplemente fuerzas de dispersin) Estas interacciones son significativas nicamente cuando los tomos o molculas que lo presentan estn muy cerca unas de otras.Para ver el grfico seleccione la opcin "Descargar" del men superiorPUENTES DE HIDRGENOPuentes de hidrgeno, es la atraccin intermolecular e intramolecular resultante de la interaccin de dipolos donde participa el H. Esta atraccin es responsable de muchas de las propiedades caractersticas del H2O, entre ellas estn: Tensin superficial puntos de fusin y ebullicin viscosidad tensin superficial capacidad de la misma para disolver muchas clases de sustancias.Un tomo de hidrgeno en un enlace polar (por ejemplo H-F, H-O o H-N) puede experimentar una fuerza atractiva hacia una molcula polar o un ion vecino que cuenta con pares electrnicos sin compartir, usualmente tomos de F, O o NA este tipo de interaccin se le conoce con el nombre de enlace de hidrgeno y en ltima instancia no es ms que una interaccin del tipo dipolo-dipoloUn enlace entre un hidrgeno y un tomo electronegativo como el F, O o N es muy polar:

Tomando en consideracin que el tomo de H no tiene electrones de core, entonces el lado del tomo que est hacia afuera del dipolo es virtualmente un ncleo desnudo la carga parcial positiva se ver atrada a la carga parcial negativa de un tomo electronegativo de una molcula cercana debido a que el tomo de hidrgeno en un enlace polar tiene deficiencia de electrones (particularmente en un lado, es decir, el lado opuesto al enlace covalente polar), entonces, puede acercarse mucho al tomo electronegativo de la molcula vecina (el cual tiene carga parcial negativa) de manera que puede interactuar fuertemente con l. Entre ms cerca pueda estar mayor ser la atraccin electrostticaLa energa de los enlaces de hidrgeno va de alrededor de 4 kJ/mol a 25 kJ/mol, es decir, son ms dbiles que los enlaces covalentes, pero, son mayores que las interacciones dipolo-dipolo o las fuerzas de dispersin. Este tipo de interaccin tiene gran importancia en laorganizacinde las molculas biolgicas y su influencia es notable en la estructura de lasprotenasy loscidosnucleicos. El agua tiene una capacidad poco comn para formaruna redde enlaces de hidrgeno muy extensa. Como lquido, la energa cintica de las molculas previene un arreglo ordenado extenso de los tomos de hidrgeno, al enfriarse, las molculas van perdiendo energa cintica y esto permite que las molculas se vayan ordenando en un arreglo que maximiza las interacciones atractivas de los enlaces de H.Este arreglo de las molculas tiene un volumen mayor (es decir, es menos denso) que el agua lquida, de manera que el agua se expande al congelarse. El arreglo de molculas de agua en el hielo normal tienegeometrahexagonal (es decir que est compuesto de anillos con seis molculas de agua), lo cual es la base estructural de la forma hexagonal de los copos de nieve.

Cada molcula de agua puede participar en cuatro enlaces de H, es decir, uno con cada par de no enlace del oxgeno y uno con cada tomo de hidrgeno.BIBLIOGRAFABABOR, Joseph. Qumica General Moderna. Editorial Marn. Barcelona. Pg 75-80.GARCIA, Arcesio. AUBAD, Aquilino. ZAPATA, Rubn. Hacia La Qumica. Editorial Temis S.A. Bogota-Colombia. Pg 269-282.CHANG, Raymond. Qumica Sextaedicin. Editorial Mc Graw Hill.Mxico. Pg 209-222.REALIZADO POR:LUIS ALFONSO CHICA LLANESESTUDIANTE DE QUMICA PURAMARZO 2 DEL 2004

Leer ms:http://www.monografias.com/trabajos17/calorimetria/calorimetria.shtml#ixzz3bd4ACQJn

17. La entalpa18. 19. Calor especfico y capacidad calorfica20. Calorimetra a volumen constante21. Calorimetra a presin constante22. Calor latente de fusin23. Calor de sublimacin24. Calor de vaporizacin25. Curva de calentamiento26. Curva de enfriamiento27. Fuerzas intermoleculares28. Interacciones Ion-Dipolo29. Enlace Dipolo Dipolo30. Fuerzas de dispersin de London31. Puentes de hidrgeno32. Bibliografa

Como sabemos una de las unidades de la medida delcalores la calora, que se define como el calor que es necesario aplicar a un gramo deagua, para que sutemperaturaaumente de 14,5C a 15,5C sea 1C.La calora esta relacionada con otras unidades de energa as:1 calora = 0,001 Kcal = 3,96 x 10-3 BTU = 4,186 Joul = 4,186 x 107 ergiosLA ENTALPALa Entalpa es la cantidad de energa de unsistematermodinmico que ste puede intercambiar con su entorno. Por ejemplo, en una reaccinqumicaapresinconstante, elcambiode entalpa del sistema es el calor absorbido o desprendido en la reaccin. En un cambio de fase, por ejemplo de lquido agas, el cambio de entalpa del sistema es el calor latente, en este caso el de vaporizacin. En un simple cambio de temperatura, el cambio de entalpa por cada grado de variacin corresponde a la capacidad calorfica del sistema a presin constante. El trmino de entalpa fue acuado por el fsico alemn Rudolf J.E. Clausius en 1850. Matemticamente, la entalpa H es igual a U + pV, donde U es la energa interna, p es la presin y V es elvolumen. H se mide en julios.H = U + pVCuando un sistema pasa desde unas condiciones iniciales hasta otras finales, se mide el cambio de entalpa ( H).H = Hf HiLa entalpa recibe diferentes denominaciones segn elproceso, as:Entalpa de reaccin, entalpa de formacin, entalpa decombustin, entalpa de disolucin, entalpa de enlace, etc; siendo las ms importantes:ENTALPIA DE REACCIN:Es el calor absorbido o desprendido durante una reaccin qumica, a presin constante.ENTALPA DE FORMACIN:Es el calor necesario para formar una mol de una sustancia, a presin constante y a partir de los elementos que la constituyen.Ejemplo:H2 (g) + O2 (g) = > H2O + 68.3KcalCuando se forma una mol de agua (18 g) a partir dehidrgenoyoxgenose producen 68.3 Kcal, lo que se denomina entalpa de formacin del agua.ENTALPA DE COMBUSTIN:Es el calor liberado, a presin constante, cuando se quema una mol de sustancia.Ejemplo:CH4 (g) + 2O2 (g) => 2CO2 (g) + 2H2O (l) H = -212.8 KcalLo que significa que cuando se queman 16 g demetanose desprenden 212.8 Kcal.Estas entalpas se determinan normalmente a 25C y 1atm. Para determinar la entalpa estndar de formacin de las sustancias, se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones:1. La entalpa estndar de formacin de los elementos puros, libres y tal como se encuentran en suestadonatural es cero.Por ejemplo:H2 (g), O2 (g), N2 (g), Cl2 (g), Na (s), etc, tienenHf25 = 0, donde Hf25 es la entalpa estandar de formacin.2. Elcarbonose presenta a 25C 1 atm de presin y enel estadoslido, de varias formas: diamante, grafito, antracita, hulla, coke, etc, pero su estado estandar se define para el grafito, o sea Hf25 del grafito es igual a cero.3. El azufre se presenta en dos estados alotrpicos, el rombico y el monocclico; su entalpa estandar se define para el rombico o sea Hf25 del rombico es igual a cero.ENTALPA ESTNDARde una ecuacin general:

Se calcula restando las entalpas estndares de formacin de los reactivos de las entalpas estndares de formacin de losproductos, como se ilustra en la siguiente ecuacin:

CALORIMETRASegn lasteorasque iniciaron el estudio de la calorimetra, el calor era una especie de fluido muy sutil que se produca en las combustiones y pasaba de unos cuerpos a otros, pudiendo almacenarse en ellos en mayor o menor cantidad. Posteriormente, se observ que, cuando se ejerca untrabajomecnico sobre un cuerpo (al frotarlo o golpearlo, por ejemplo), apareca calor; hecho que contradeca el principio de conservacin de la energa, ya que desapareca una energa en forma de trabajo mecnico, adems de que se observaba la aparicin de calor sin que hubiese habido combustin alguna. Benjamin Thompson puso en evidencia este hecho cuando diriga unos trabajos de barrenado de caones observando queel aguaderefrigeracinde los taladros se calentaba durante el proceso. Para explicarlo, postul lateorade que el calor era una forma de energa. Thompson no consigui demostrar que hubieseconservacin de energaen el proceso de transformacin de trabajo en calor, debido a la imprecisin en los aparatos de medidas que us. Posteriormente, Prescott Joule logr demostrarlo experimentalmente, llegando a determinar la cantidad de calor que se obtiene por cada unidad de trabajo que se consume, que es de 0,239 caloras por cada julio de trabajo que se transforma ntegramente en calor.La Calorimetra es la rama de latermodinmicaque mide la cantidad de energa generada enprocesosde intercambio de calor. El calormetro es el instrumento que mide dicha energa. El tipo de calormetro de uso ms extendido consiste en un envase cerrado y perfectamente aislado con agua, un dispositivo para agitar y untermmetro. Se coloca una fuente de calor en el calormetro, se agita el agua hasta lograr elequilibrio, y el aumento de temperatura se comprueba con el termmetro. Si se conoce la capacidad calorfica del calormetro (que tambin puede medirse utilizando una fuente corriente de calor), la cantidad de energa liberada puede calcularse fcilmente. Cuando la fuente de calor es un objeto caliente de temperatura conocida, el calor especfico y el calor latente pueden ir midindose segn se va enfriando el objeto.CALOR ESPECFICO Y CAPACIDAD CALORFICAEl calor especfico (s) de una sustancia es la cantidad de calor necesario para elevar un grado Celsius la temperatura de un gramo de la sustancia. La capacidad calorfica (C) de una sustancia es la cantidad de calor necesario para elevar un grado Celsius la temperatura de una cantidad determinada de sustancia. El calor especfico es unapropiedadintensiva, en tanto que la capacidad calorfica es una propiedad extensiva. La relacin entre la capacidad calorfica y el calor especfico de una sustancia es:C = msDonde m es la masa de la sustancia en gramos. Por ejemplo el calor especfico del agua es 4.184 J/g . C y la capacidad calorfica de 60 gramos de agua es:(60.0 g)(4.184 J/g . C) = 251 J/CSUSTANCIACALOR ESPECFICO (J/g.C)

Aluminio0.900

Oro0.129

C(grafito)0.720

C(diamante)0.502

Cobre0.385

Hierro0.444

Mercurio0.139

Agua4.184

Etanol2.46

Tabla 1. Calor especfico de algunas sustanciasSi se conoce el calor especfico y la cantidad de una sustancia, entonces el cambio en la temperatura de unamuestra(t) indicara la cantidad de calor (q) que se ha absorbido o liberado en un proceso en particular. La ecuacin para calcular el cambio de calor esta dad por:

donde m es la masa de la muestra y t es el cambio de la temperatura:

El signo convencional de q es igual que para el cambio de entalpa; que es positivo para procesos endotrmicos y negativo para procesos exotrmicos.CALORIMETRA A VOLUMEN CONSTANTE

Figura 1diagramade bomba calorimtricaPara medir el calor de combustin se coloca una masa conocida de un compuesto en un recipiente deacero, denominado bomba calorimtrica a volumen constante, que se llena con oxgeno, a ms o menos 30 atm de presin. La bomba cerrada se sumerge en una cantidad conocida de agua. La muestra se enciende elctricamente y el calor producido por la reaccin de combustin se puede calcular con exactitud al registrar el aumento en la temperatura del agua. El calor liberado por la muestra es absorbido por el agua y por el calormetro. Eldiseoespecial de la bomba calorimtrica permite suponer que no hay prdida de calor (o de masa) hacia los alrededores durante eltiempoen que se hacen las mediciones.Como consecuencia, se puede decir que la bomba calorimtrica y el agua en que se sumerge constituyen un sistema aislado. Debido a que no entra ni sale calor del sistema durante el proceso, se puede escribir:

donde qagua, qbomba y qreaccin son los cambios de calor del agua, de la bomba y de la reaccin, respectivamente. As:

La cantidad qagua se obtiene por:

Elproductode la masa de la bomba por su calor especfico es la capacidad calorfica de la bomba, que permanece constante para todos losexperimentosefectuados en dicha bomba calorimtrica:De aqu

Como es una bomba calorimtrica las reacciones ocurren bajo condiciones de volumen constante y no de presin constante, los cambios de calor no corresponden al cambio de entalpa H. Es posible corregir las mediciones en los cambios de calor de forma que correspondan alos valoresde H, pero debido que la correccin es muy pequea.CALORIMETRA A PRESIN CONSTANTESabemos que DH se define como la cantidad de calor transferida a presin constante,(DH = qp), entonces un calormetro para medir ello tendr el siguiente esquema:

Figura 2 diagrama de un calormetroEl regulador de presin puede ser simplemente un agujero que permita que la presin sea la misma que la presin atmosfrica Para aquellas reacciones que se hacen en agua en disoluciones diluidas, el calor especfico de la disolucin ser aproximadamente igual al del agua, esto es, 4.18 J g-1 K-1 El calor absorbido por una disolucin acuosa es igual al calor liberado por la reaccin de los solutos:qdisolucin = -qrxnSi la reaccin libera calor, es una reaccin exotrmica y el DH esnegativa. La entalpa de los productos es menor que la de los reactivosDH =Hproductos-HreactivosEn un calormetro con una disolucin acuosa, si la reaccin de los solutos es exotrmica, la disolucin absorber el calor producido por la reaccin y se observar un incremento en la temperatura.De manera que para una reaccin exotrmica: Los solutos tienen una entalpa final menor despus de la reaccin (DH negativa) La disolucin tiene una entalpa final mayor despus de la reaccin (DH positiva)De manera que para determinar elvalorde DHrxn debemos invertir el signo de DHsoln (es decir el valor medido)CALOR LATENTE DE FUSINEl calor latente defusines el calor absorbido en la fusin de 1 g de sustancia a temperatura constante.Los calores de fusin de las sustancias son muy inferiores a sus calores de vaporizacin. Para el hielo es igual a 79,7 caloras por gramo.La temperatura de fusin varia, aunque muy poco, con la presin aplicada a la sustancia; en general, en los slidos ms densos que el lquido la temperatura de fusin aumenta al elevar la presin, mientras que el caso contrario tal como el hielo, la temperatura de fusin disminuye al elevar la presin.CALOR DE SUBLIMACINEl calor de sublimacin es la cantidad de calor necesario para sublimar a temperatura constante 1 g de sustancia en estado slido.El calor de sublimacin de una sustancia es igual a la suma del calor de fusin ms el calor de vaporizacin, ya que el paso directo de slido-vapor puede realizarse en las dos etapas equivalentes slido-liquido y liquido-vapor.CALOR DE VAPORIZACINCuando un lquido se encuentra a la temperatura de ebullicin, para pasarlo a estado de vapor hay necesidad de aplicarle una cantidad de calor adicional, para romper las fuerzas atractivas intermoleculares, a este calor necesario para evaporar cierta cantidad de sustancia se le conoce con el nombre de calor de vaporizacin.El calor de vaporizacin se conoce como calor latente de vaporizacin puesto que al aplicarlo, no hay cambio en la temperatura del sistema.

donde m es la cantidad de sustancia a evaporar y Hv es el calor de vaporizacin.CURVA DE CALENTAMIENTOPara ver el grfico seleccione la opcin "Descargar" del men superiorFigura 3 Curva de calentamientoen la figura 3 se presenta la grafica de una curva de calentamiento completa desde el estado slido, hasta el estado de vapor.Supongamos que se tiene una sustancia en el estado slido en un tiempo to a una temperatura inicial Ti (figura 3). Si empezamos a adicionar calor progresivamente, su temperatura empieza a aumentar (calor sensible) hasta llegar a la temperatura de fusin Tf en el tiempo t1.La cantidad de calor gastado entre to y t1 se calcula por la expresin:

donde:Q1 = cantidad de calor en caloras.m = masa (gramos) de sustancia que se esta calentando en el estado slido.Ces = es el calor especfico de la sustancia en el estado slido (cal/g C)Tf Ti = Representa el cambio de temperatura (T) en ese intervalo.Cuando la sustancia se encuentra a la temperatura de fusin, hay necesidad de aplicarle calor latente de fusin (Hfusin) para convertirla en lquido (intervalo t1 a t2 ), el calor total de este intervalo depende de la masa.

Cuando todo el slido se haya transformado en lquido (t2), al aplicar calor empieza nuevamente a incrementarse la temperatura (calor sensible) hasta el tiempo (t3), donde el lquido alcanza su temperatura de ebullicin.El calor aplicado entre t2 y t3 se calcula por la expresin:Cel es el calor especfico de la sustancia en el estado lquido (cal/g C)Cuando la sustancia se encuentra en la temperatura de ebullicin, hay necesidad de aplicarle el calor latente de vaporizacin (Hv) para convertirla en vapor (intervalo t3 a t4).El calor total de este intervalo depende de la masa:

Cuando todo el lquido se halla transformado en vapor (t4), al aplicarle calor empieza de nuevo a incrementarse la temperatura (calor sensible) hasta el tiempo final (t5) y la temperatura final (Tf). En el lapso de tiempo t4 a t5 se aplico una cantidad de calor que se calcula por la expresin:donde Cev es el calor especfico de la sustancia en el estado de vapor (cal/g C).El calor total aplicado durante el proceso de calentamiento es la suma de todos los calores o sea:

CURVA DE ENFRIAMIENTOPara ver el grfico seleccione la opcin "Descargar" del men superiorEn la figura 4 se presenta la grfica de una curva de enfriamiento completa, desde el estado de vapor, pasando por el lquido, hasta el slido.Supongamos que se tiene una sustancia en el estado de vapor en un tiempo to a una temperatura inicial Ti (figura 4). Si empezamos a extraer calor progresivamente, su temperatura empieza a descender (calor sensible) hasta llegar a la temperatura de licuefaccin TL en el tiempo t1.La cantidad de calor extrado entre to y t1 se calcula por la expresin:

donde TL : es temperatura de licuefaccin e igual numricamente a Teb.Cuando la sustancia se encuentra a la temperatura de licuefaccin, hay necesidad de extraerle el calor latente de licuefaccin (-HL) para convertirla en lquido (intervalo t1 a t2 ), el calor total de este intervalo depende de la masa.

Cuando todo el vapor se haya transformado en lquido (t2), al extraer calor empieza nuevamente a descender la temperatura (calor sensible) hasta el tiempo (t3), alcanza la temperatura de solidificacin (Ts).El calor aplicado entre t2 y t3 se calcula por la expresin:

Cuando la sustancia se encuentra en la temperatura de solidificacin, hay necesidad de extraerle el calor latente de solidificacin (-Hs) para convertirla en slido(intervalo t3 a t4).El calor total de este intervalo depende de la masa:

Cuando todo el lquido se ha transformado en slido (t4), al extraerle calor empieza de nuevo a descender la temperatura (calor sensible) hasta el tiempo final (t5) alcanza la temperatura final deseada Tf.El calor en este intervalo se calcula por la expresin:

El calor total extrado durante el proceso de enfriamiento es la suma de todos los calores o sea:

FUERZAS INTERMOLECULARESLas propiedadesfsicasde una sustancia dependen de su estado fsico.El vapor de agua, el agua lquida y el hielo tienen exactamente las mismaspropiedades qumicas, pero suspropiedades fsicasson considerablemente diferentes.El tipo de enlace de una sustancia determina: Distancias y ngulos de enlace Energas de enlace Es decir sus propiedades qumicasLas fuerzas intermoleculares de una sustancia determinan sus propiedades fsicasGASES Son una coleccin de molculas muy separadas entre s, pues la energa cintica de las molculas es mayor que las fuerzas atractivas entre las molculas La ausencia de cualquierfuerzaatractiva significativa entre las molculas, les permite expandirse hasta llenar el recipiente que lo contiene Si las fuerzas atractivas empiezan a ser significativas, losgasesexhibencomportamientodiferente que al del gas idealLquidos Las fuerzas de atraccin intermolecular son suficientemente grandes como para mantener a las molculas cerca unas de otras Los lquidos son ms densos y menos compresibles que los gases Los lquidos tienen un volumen definido que es independiente de la forma y tamao del recipiente que los contiene. Las fuerzas atractivas no son suficientes como para mantener a las molculas vecinas en posicin fija y las molculas se mueven. De manera que los lquidos pueden vaciarse y asumen la forma del recipiente.Slidos Las fuerzas intermoleculares entre molculas vecinas son ahora suficientemente grandes para mantenerlas en posiciones fijas unas respecto a las otras Los slidos (como los lquidos) no son compresibles debido a la ausencia de espacio entre las molculas vecinas Si las molculas en un slido adoptan un empaquetamiento ordenado, se dice que laestructurade las molculas es cristalina Debido a la magnitud de las fuerzas intermoleculares entre molculas vecinas, los slidos son rgidosUn examen de las propiedades de los diferentes estados de la material, nos convence de que el estado de una sustancia depende del balance entre la energa cintica de las partculas individuales que componen a cada sustancia (molculas, iones o tomos) y las fuerzas intermoleculares.La Energa Cinticamantiene a las molculas enmovimientoy depende de la temperatura (est enfuncinde la temperatura) de la sustanciaLas fuerzas intermolecularesintentan mantener a las molculas juntas. Los gases tienen fuerzas moleculares ms dbiles que los lquidos Los lquidos tienen fuerzas moleculares ms dbiles que los slidos Tanto los slidos como los lquidos tienen sus partculas muy cercanas unas a otras, por ello les llamamosfases condensadaspara distinguirlas de los gasesINTERACCIONES ION-DIPOLOSe trata de unainteraccinentre union cargadoy unamolcula polar(es decir undipolo). Los cationes se vern atrados por el lado negativo de un dipolo. Los aniones se vern atrados por el lado positivo de un dipolo.La magnitud de la energa de esta interaccin depende de la carga del ion (Q), el momento dipolo de la molcula (m) y la distancia del centro del ion al punto medio del dipolo (d)

Este tipo de interacciones tienen gran importancia al estudiar el comportamiento de las disoluciones de sustancias inicas en disolventes polares (por ejemplo sal en agua).

ENLACE DIPOLO DIPOLOOcurre cuando los tomos de una molcula tienen diferencias de c, se polarizan, produciendo un dipolo. Cuando dos dipolos se avecindan, se atraen, dando como resultado un enlace.Si los tomos muy electronegativos se encuentran unidos directamente a un H, tambin se formar un dipolo. Estas interacciones se presentan entre las molculas neutras polares. Las molculas polares se atraen entre s cuando la carga parcial positiva de una molcula est cerca de la carga parcial negativa de otra Las molculas polares deben de estar cerca unas de otras para que la fuerza atractiva de la interaccin sea significativa Las interaccionesdipolo-dipoloson mucho menores que las interaccionesIon-dipolo Las fuerzasdipolo-dipolocrecen al incrementarse la polaridad de una molcula.Para ver el grfico seleccione la opcin "Descargar" del men superiorLos puntos de ebullicin de las molculas polares de masa parecida crecen al crecer el dipolo:

SustanciaMasa molecular (uma)Momento dipolo, m(D)Punto de ebullicin (K)

Propano440.1231

Dimetil ter461.3248

Cloruro de metilo502.0249

Acetaldehdo442.7294

Acetonitrilo413.9355

FUERZAS DE DISPERSIN DE LONDONNo pareciera que las molculas no-polares tengan ninguna basefsicapara tener interacciones atractivas. Sin embargo, los gases de las molculas no-polares pueden licuarse, y esto indica que si la energa cintica se reduce, existe algn tipo de interacciones atractivas que predominan.Fritz London (1930) sugiere que el movimiento de los electrones en untomoo una molcula no polar puede dar como resultado un dipolo transiente (transiente quiere decir que tiene tiempos de vida muy cortos)Cmo actan las fuerzas de dispersin de London?El helio tiene 2 electrones consideremos que estos electrones son partculas, ladistribucinpromedio de los electrones alrededor del ncleo es esfricamente simtrica, los tomos no tienen dipolo y por tanto su momento dipolo es cero; sin embargo, puede ocurrir que la distribucin de los electrones alrededor del ncleo de cada tomo en un instante dado, no sea completamente simtrica. As puede pasar que: Ambos electrones queden en el mismo lado del ncleo, esto dar como resultado que en ese instante el tomo tenga un dipolo aparente y por tanto un el momento dipolo sea diferente de cero, es decir que haya un dipolo transiente. Un tomo vecino que se encuentre cerca de este tomo, se ver influido por este dipolo, los electrones de este tomo se alejarn de la regin negativa del dipolo, es decir, debido a la repulsinelectrnica, un dipolo temporal puede inducir un dipolo similar en un tomo vecino, si este est lo suficientemente cercano esto, causar que los tomos vecinos se sientan atrados unos a los otros. A este fenmeno se le conoce con el nombre de interacciones de dispersin de London (o simplemente fuerzas de dispersin) Estas interacciones son significativas nicamente cuando los tomos o molculas que lo presentan estn muy cerca unas de otras.Para ver el grfico seleccione la opcin "Descargar" del men superiorPUENTES DE HIDRGENOPuentes de hidrgeno, es la atraccin intermolecular e intramolecular resultante de la interaccin de dipolos donde participa el H. Esta atraccin es responsable de muchas de las propiedades caractersticas del H2O, entre ellas estn: Tensin superficial puntos de fusin y ebullicin viscosidad tensin superficial capacidad de la misma para disolver muchas clases de sustancias.Un tomo de hidrgeno en un enlace polar (por ejemplo H-F, H-O o H-N) puede experimentar una fuerza atractiva hacia una molcula polar o un ion vecino que cuenta con pares electrnicos sin compartir, usualmente tomos de F, O o NA este tipo de interaccin se le conoce con el nombre de enlace de hidrgeno y en ltima instancia no es ms que una interaccin del tipo dipolo-dipoloUn enlace entre un hidrgeno y un tomo electronegativo como el F, O o N es muy polar:

Tomando en consideracin que el tomo de H no tiene electrones de core, entonces el lado del tomo que est hacia afuera del dipolo es virtualmente un ncleo desnudo la carga parcial positiva se ver atrada a la carga parcial negativa de un tomo electronegativo de una molcula cercana debido a que el tomo de hidrgeno en un enlace polar tiene deficiencia de electrones (particularmente en un lado, es decir, el lado opuesto al enlace covalente polar), entonces, puede acercarse mucho al tomo electronegativo de la molcula vecina (el cual tiene carga parcial negativa) de manera que puede interactuar fuertemente con l. Entre ms cerca pueda estar mayor ser la atraccin electrostticaLa energa de los enlaces de hidrgeno va de alrededor de 4 kJ/mol a 25 kJ/mol, es decir, son ms dbiles que los enlaces covalentes, pero, son mayores que las interacciones dipolo-dipolo o las fuerzas de dispersin. Este tipo de interaccin tiene gran importancia en laorganizacinde las molculas biolgicas y su influencia es notable en la estructura de lasprotenasy loscidosnucleicos. El agua tiene una capacidad poco comn para formaruna redde enlaces de hidrgeno muy extensa. Como lquido, la energa cintica de las molculas previene un arreglo ordenado extenso de los tomos de hidrgeno, al enfriarse, las molculas van perdiendo energa cintica y esto permite que las molculas se vayan ordenando en un arreglo que maximiza las interacciones atractivas de los enlaces de H.Este arreglo de las molculas tiene un volumen mayor (es decir, es menos denso) que el agua lquida, de manera que el agua se expande al congelarse. El arreglo de molculas de agua en el hielo normal tienegeometrahexagonal (es decir que est compuesto de anillos con seis molculas de agua), lo cual es la base estructural de la forma hexagonal de los copos de nieve.

Cada molcula de agua puede participar en cuatro enlaces de H, es decir, uno con cada par de no enlace del oxgeno y uno con cada tomo de hidrgeno

Leer ms:http://www.monografias.com/trabajos17/calorimetria/calorimetria.shtml#ixzz3bd5UtXnc

Compresin de gasesSe denominaproceso politrpicoalproceso termodinmico, generalmente ocurrido en gases, en el que existe, tanto una transferencia de energa al interior del sistema que contiene el o los gases como una transferencia de energa con el medio exterior (proceso isotrmico).1El proceso politrpico obedece a la relacin:

Dondepes la presin,ves un volumen especfico,n, el ndice politrpico, que puede ser cualquier nmero real, y C es una constante. La ecuacin de un proceso politrpico es particularmente til para describir los procesos de expansin y compresin que incluyen transferencia de calor. Esta ecuacin puede caracterizar un amplio rango de procesos termodinmicos desde n=0 a n=lo cual incluye: n=0 (proceso isobrico), n=1 (proceso isotermal), n= (proceso isentrpico), n=(proceso isocrico) y todos los valores intermedios den. As la ecuacin es politrpica en el sentido de que describe varias lneas o procesos. Adems de la representacin del comportamiento de gases, la ecuacin puede ser utilizada para representar ciertos comportamientos de lquidos o slidos. La nica restriccin es que el proceso debe desplegar una tasa de transferencia de energa de K=Q/W=constante durante tal proceso. Si se desva de tal restriccin, esto sugiere que el exponente no es una constante. Para un exponente especfico, otros puntos a lo largo de la curva pueden ser calculados de la siguiente manera:

ndice[ocultar] 1Derivacin 2Aplicabilidad 3Capacidad especfica de calor 4Relacin con procesos ideales 5Notacin 6Otras 7ReferenciasDerivacin[editar]

Los procesos politrpicos se comportan de forma diferente con varios ndices politrpicos. Un proceso politrpico puede generar otros procesos termodinmicos bsicos.La siguiente derivacin es tomada del texto de Joseph Christians.2Considrese un gas en un sistema cerrado bajo un proceso interno reversible con cambios insignificantes de energa cintica y potencial. Laprimera ley de la termodinmicaestablece que:

Dondeqes positiva por el calor aadido al sistema ywes negativa por el trabajo realizado dentro del mismo.Al definir el ndice de transferencia de energa se tiene:.Para un proceso interno reversible el nico tipo de interaccin de trabajo es el desplazamiento de trabajo de expansin dado porPdv. As tambin se asume que el gas es calricamente perfecto (calor especfico constante) de modo quedu=cvdT. La primer ley tambin puede ser escrita:

Considrese laecuacin de estadodel gas ideal con el bien conocido factor de compresibilidadZ:Pv = ZRT. Asumiendo que la constante del gas es tambin fija (por ejemplo, hay reacciones qumicas). La ecuacin de estadoPV = ZRTpuede ser diferenciada para dar:

Basado en la relacin especfica de calor que surge de la definicin deentalpa, el trminoZRpuede ser reemplazado porcp-cv. Con estas anotaciones la primera ley de la termodinmica se convierte en:

Dondees el ndice de calor especfico. Esta ecuacin es importante para el entendimiento de la base de la ecuacin de los procesos politrpicos. Ahora considrese la ecuacin de proceso politrpico:

Tomando el logaritmo natural de ambos lados de la ecuacin (entendiendo que el exponentenes una constante para un proceso politrpico) se tiene:

La cual puede ser diferenciada y reordenada de la siguiente forma:

Al comparar este resultado del resultado obtenido por la primera ley, se concluye queel exponenete politrpico es constante (y por lo tanto el proceso es politrpico) cuando el ndice de transferencia de energa es constante para el proceso. De hecho el exponente politrpico puede ser expresado en trminos del ndice de transferencia de energa:.Donde K es negativa para ungas ideal.Esta derivacin puede ser ampliada para incluir procesos politrpicos en sistemas abiertos incluyendo momentos en los que la energa cintica (ej.Nmero Mach) es significativo. Tambin se puede ampliar para incluir procesos politropicos irreversibles.Aplicabilidad[editar]La ecuacin del proceso politrpico se utiliza comnmente para procesos reversibles o irreversibles de gases ideales o cercanos a los gases ideales que involucran transferencia de calor y/o interacciones de trabajocuando el ndice de transferencia de energa (q/w) es constante para el proceso. La ecuacin podra no ser aplicables para procesos en un sistema abierto si la energa cintica (ej. Nmero Mach) es significativa. La ecuacin tambin podra ser aplicable en algunos casos para procesos con lquidos e incluso slidos.Capacidad especfica de calor[editar]Es denotada pory es igual aRelacin con procesos ideales[editar]Para valores especficos del ndice politrpico, el proceso ser idntico al de otros procesos. Algunos ejemplos de los efectos de la variacin de los valores del ndice estn dados en la tabla siguiente:Variacin del ndice politrpico

ndicepolitrpicoRelacinEfectos

Los exponentes negativos pueden tambin ser significativos en algunos casos especiales donde no hay dominacin de las interacciones termales, como lo pueden ser algunos procesos de ciertos plasmas enastrofsica.3

(constante)Equivalente a unproceso isobrico(presin constante)

(constante)Equivalente a un proceso isotrmica (temperatura constante)

Proceso cuasi-diabtico tal como en unmotor de combustin internadurante la expansin o en la refrigeracin por compresin de vapor durante la etapa de compresin. As tambin como en un proceso de compresin politrpica como lo sera un gas a travs de un compresor centrfugo donde la prdida de calor del compresor (dentro del sistema) es mayor que el calor aadido al gas dentro de la compresin.

es el exponente isentrpico produciendo unproceso isentrpico(adiabtico y reversible). Esto tambin es ampliamente referido como el ndice adiabtico, produciendo un proceso adiabtico (sin transferencia de calor). Sin embargo, el trmino adiabtico no describe adecuadamente este proceso, debido a que ste solamente implica que no hay transferencia de calor.4Solo un proceso adiabticoreversiblees un proceso isentrpico.

El ndice politrpico normal es ms grande que la razn especfica de calor (gamma) dentro de un proceso de "compresin politrpica" como lo es un gas a travs de un compresor centrfugo. Las ineficiencias de la compresin centrfuga y el calor calor aadido al gas sobrepasan a la prdida de calor dentro del sistema.

Equivalente a unproceso isocrico(volumen constante)

Cuando el ndicenest dentro de dos de los anteriores valores (0, 1, , o ) significa que la curva del proceso politrpico ser una funcin restringida por las curvas de los dos ndices correspondientes.Ntese que, a partir de.Notacin[editar]En el caso de un gas ideal isentrpico,es la taza de calor especfica, conocida como ndice adiabtco o como exponente adiabtico.Un gas ideal isotermal es tambin un gas politrpico. Aqu, el ndice politropico es igual a uno y difiere del ndice adiabtico.Para poder diferenciar entre las dos gammas, la gamma politrpica es a veces escrita con mayscula.Para mayor confusin, algunos autores utilizancomo el ndice politrpico en vez de. Ntese que:

Ciclo braiton Contenido[ocultar] 1Enunciado 2Descripcin del ciclo 3Eficiencia en funcin del calor 3.1Intercambio de calor 3.2Trabajo realizado 3.3Rendimiento 4Eficiencia en funcin de las temperaturas 5Eficiencia en funcin de la relacin de presin 6Caso prctico 6.1Eficiencia 6.2Temperaturas 7Motores de reaccin 8Enlaces

1 EnunciadoUnciclo Brayton(oJoule) ideal modela el comportamiento de una turbina, como las empleadas en las aeronaves. Este ciclo est formado por cuatro pasos reversibles, segn se indica en la figura. Pruebe que el rendimiento de este ciclo viene dado por la expresin

siendor=pB/pAlarelacin de presinigual al cociente entre la presin al final del proceso de compresin y al inicio de l.. El mtodo para obtener este resultado es anlogo al empleado para elCiclo Otto.2 Descripcin del cicloEl ciclo Brayton describe el comportamiento ideal de un motor de turbina de gas, como los utilizados en las aeronaves. Las etapas del proceso son las siguientes:AdmisinEl aire fro y a presin atmosfrica entra por la boca de la turbina

CompresorEl aire es comprimido y dirigido hacia la cmara de combustin mediante un compresor (movido por la turbina). Puesto que esta fase es muy rpida, se modela mediante una compresin adiabtica AB.Cmara de combustinEn la cmara, el aire es calentado por la combustin del queroseno. Puesto que la cmara est abierta el aire puede expandirse, por lo que el calentamiento se modela como un proceso isbaro BC.TurbinaEl aire caliente pasa por la turbina, a la cual mueve. En este paso el aire se expande y se enfra rpidamente, lo que se describe mediante una expansin adiabtica C D.EscapePor ltimo, el aire enfriado (pero a una temperatura mayor que la inicial) sale al exterior. Tcnicamente, este es un cicloabiertoya que el aire que escapa no es el mismo que entra por la boca de la turbina, pero dado que s entra en la misma cantidad y a la misma presin, se hace la aproximacin de suponer unarecirculacin. En este modelo el aire de salida simplemente cede calor al ambiente y vuelve a entrar por la boca ya fro. En el diagrama PV esto corresponde a un enfriamiento a presin constante DA.Existen de hecho motores de turbina de gas en los que el fluido efectivamente recircula y solo el calor es cedido al ambiente. Para estos motores, el modelo del ciclo de Brayton ideal es ms aproximado que para los de ciclo abierto.

Motor de turbina de gas de ciclo abierto.Motor de turbina de gas de ciclo cerrado.

3 Eficiencia en funcin del calor3.1 Intercambio de calorDe los cuatro procesos que forman el ciclo cerrado, no se intercambia calor en los procesos adiabticos AB y CD, por definicin. S se intercambia en los dos procesos isbaros. En la combustin BC, una cierta cantidad de calorQc(procedente de la energa interna del combustible) se transfiere al aire. Dado que el proceso sucede a presin constante, el calor coincide con el aumento de la entalpa

El subndice "c" viene de que este calor se intercambia con un supuesto fococaliente. En la expulsin de los gases DA el aire sale a una temperatura mayor que a la entrada, liberando posteriormente un calor|Qf|al ambiente. En el modelo de sistema cerrado, en el que nos imaginamos que es el mismo aire el que se comprime una y otra vez en el motor, modelamos esto como que el calor|Qf|es liberado en el proceso DA, por enfriamiento. El valor absoluto viene de que, siendo un calor que sale del sistema al ambiente, su signo es negativo. Su valor, anlogamente al caso anterior, es

El subndice "f" viene de que este calor se cede a un focofro, que es el ambiente.3.2 Trabajo realizadoEn este ciclo (a diferencia de lo que ocurre en elciclo Otto) se realiza trabajo en los cuatro procesos. En dos de ellos el gtrabajo es positivo y en dos es negativo. En la compresin de la mezcla AB, se realiza un trabajo positivo sobre el gas. Al ser un proceso adiabtico, todo este trabajo se invierte en incrementar la energa interna, elevando su temperatura:

En la combustin el gas se expande a presin constante, por lo que el trabajo es igual a la presin por el incremento de volumen, cambiado de signo:

Este trabajo es negativo, ya que es el aire, al expandirse, el que realiza el trabajo. Aplicando la ecuacin de los gases ideales y quepB=pC, podemos escribir este trabajo como

En la expansin CD es el aire el que realiza trabajo sobre el pistn. De nuevo este trabajo til equivale a la variacin de la energa interna

este trabajo es negativo, por ser el sistema el que lo realiza. En el enfriamiento en el exterior tenemos una compresin a presin constante:

El trabajo neto realizado sobre el gas es la suma de los cuatro trminos

Aplicando la ley de Mayer

este trabajo se puede expresar como

Por tratarse de un proceso cclico, la variacin de la energa interna es nula al finalizar el ciclo. Esto implica que el calor neto introducido en el sistema esigual al trabajo neto realizado por este, en valor absoluto.

3.3 RendimientoElrendimiento(oeficiencia) de una mquina trmica se define, en general como lo que sacamos dividido por lo que nos cuesta. En este caso, lo que sacamos es el trabajo neto til,|W|. Lo que nos cuesta es el calorQc, que introducimos en la combustin. No podemos restarle el calor|Qf|ya que ese calor se cede al ambiente y no es reutilizado (lo que violara elenunciado de Kelvin-Planck). Por tanto

Sustituyendo el trabajo como diferencia de calores

Esta es la expresin general del rendimiento de una mquina trmica.4 Eficiencia en funcin de las temperaturasSustituyendo las expresiones del calor que entra en el sistema,|Qc|, y el que sale de l,|Qf|, obtenemos la expresin del rendimiento

Vemos que el rendimiento no depende de la cantidad de aire que haya en la cmara, ya quense cancela.Podemos simplificar estas expresiones observando que BC y DA son procesos isbaros, por lo quey que AB y CD son adiabticos, por lo que cumplen la ley de Poisson (suponindolos reversibles)con = 1.4la relacin entre las capacidades calorficas a presin constante y a volumen constante. Sustituyendo aqu la ecuacin de los gases idealesV=nRT/pnos quedan las relaciones entre presiones y temperaturasSustituyendo la igualdad de presionesy dividiendo la segunda por la primera, obtenemos la igualdad de proporciones

Restando la unidad a cada miembro

Intercambiando el denominador del primer miembro, con el numerador del ltimo llegamos a

y obtenemos finalmente el rendimiento

esto es, la eficiencia depende solamente de la temperatura al inicio y al final del proceso de compresin, y no de la temperatura tras la combustin, o de la cantidad de calor que introduce sta.Puesto queTB