MATERIA Y ENERGÍA ARTESANOS DEL MUNDO “TERMODINÁMICA”

MATERIA Y ENERGÍA MATERIA Y ENERGÍA ARTESANOS DEL ARTESANOS DEL

MUNDOMUNDO““TERMODINÁMICA”TERMODINÁMICA”

Química: Química: Ciencia que estudiaCiencia que estudiala materiala materia y sus transformacionesy sus transformaciones

Recordar que:

Química: Química: Ciencia que estudiaCiencia que estudiala materiala materia y sus transformacionesy sus transformaciones

Enlace químico y estructura de la materia

Química: Química: Ciencia que estudiaCiencia que estudiala materiala materia yy sus transformacionessus transformaciones

Enlace químico y estructura de la materia

Químicageneral

¿Qué nos interesa de una reacción química?¿Qué nos interesa de una reacción química?

CONTENIDOCONTENIDO

1.- Conceptos básicos. Sistemas, variables y procesos.2.- Energía, calor y trabajo. 1er Principio de la Termodinámica.3.- Entalpía.

7.- Capacidad calorífica.

4.- Calor de reacción. Ley de Hess.5.- Entalpías estándar de formación.6.- Entalpías de enlace.

8.- Variación de la entalpía de reacción con la temperatura.

CONTENIDOCONTENIDO





Fundamentos deTermodinámica

Termodinámica: Rama de la Física que estudia el calor, el trabajo,la energía y los cambios que ellos producen en los estados de los sistemas.

CONTENIDOCONTENIDO





Termoquímica: Rama de la Química que estudia el calor cedidoo absorbido en las reacciones químicas.

Aplicación areacc. químicas:Termoquímica

¿Qué recordamos de materia y energía?

• Materia: Es todo aquello que nos rodea, ocupa un lugar en el espacio, posee masa y volumen.

• Energía: Es lo que provoca cambio en la materia. Capacidad que posee un sistema para realizar un trabajo o para suministrar calor

¿cómo delimitamos nuestra investigación en una reacción

química?

• Conociendo los siguientes conceptos:

- El sistema

- El límite

- El entorno

- Proceso : es el fenómeno a estudiar

UNIVERSO

CONCEPTOS BÁSICOS.CONCEPTOS BÁSICOS.SISTEMAS, VARIABLES Y PROCESOS.SISTEMAS, VARIABLES Y PROCESOS.11

Sistema: Parte del universo que es objeto de estudio.Entorno, alrededores, medio ambiente: Resto del universoLímite: separación del sistema real o imaginario con su entorno

Abierto Cerrado Aislado

Tipos de sistemas

Puedeintercambiar

MateriaEnergía

Materia MateriaEnergíaEnergía

Los sistemas se presentan de diferentes formas ESTADOS

caracterizados por VARIABLES termodinámicas

(p.ej: T, P, V, c, m, composición química, ...)

Intensivas Extensivas

Tipos de variables

• No dependen de la cantidad de materia del sistema• Ej: T, P, c• No son aditivas

• Dependen de la cantidad de materia del sistema• Ej: m, V• Son aditivas

Variables de estado

Funciones de estado = Ecuación de estado:Funciones de estado = Ecuación de estado:

1) Al asignar valores a unas cuantas variables de estado, los valores de todas las demás quedan automáticamente fijados.

2) Cuando cambia el estado de un sistema, los cambios de dichas funciones sólo dependen de los estados inicial y final del sistema, no de cómo se produjo el cambio.

X = Xfinal –Xinicial

Ecuaciones de estado: Relacionan variables de estado(ej: PV = nRT)

Son el conjunto de las variables de estado relacionadas entre sí, a través de una ecuación.

Cuando alguna de las variables de estado cambia con el tiempo

PROCESO termodinámico

Tipos deprocesos

• Isotermo (T = cte)• Isóbaro (P = cte)• Isócoro (V = cte)• Adiabático (Q = 0)• Cíclico (estado final = estado inicial)

•Reversible: Proceso que puede volver al estado inicial (sistema siempre infinitesimalmente próximo al equilibrio; un cambio infinitesimal en las condiciones puede invertir el proceso)• Irreversible: Proceso que no puede volver al estado inicial (Un cambio infinitesimal en las condiciones no produce un cambio de sentido en la transformación).

ENERGÍA, CALOR Y TRABAJO.ENERGÍA, CALOR Y TRABAJO.11erer PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA. PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA.22

Energía: Capacidad que posee un sistema para realizar un trabajo o para suministrar calor.

Criterio de signosCriterio de signos

SISTEMA

Q > 0

W > 0 W < 0

Q < 0

TRABAJOTRABAJO

rdFd

W Unidad S.I.: Julio

Trabajo de expansión/compresión de los gases

Pint Pext

dV

VPW ext dd [Levine, pg 42]

2

1

VV ext VPW d

EL TRABAJO NO ES UNA FUNCIÓN DE ESTADO

CALORCALOR

Un sistema cede E en forma de Q si se transfiere como resultadode una diferencia de T entre el sistema y el entorno.

Unidad S.I.: Julio 1 cal = 4,184 J

No es una propiedad característica del sistema.No es algo que posea el sistema.Es una forma de intercambio de energía, una “energía en tránsito”

El calor no es función de estado

CALOR ≠ TEMPERATURA

ENERGÍA INTERNA: UENERGÍA INTERNA: U

Energía interna : U(Suma de energías a nivel molecular)

• Función de estado• Magnitud extensiva

U = Q + W1er Principio de laTermodinámica

Epot Ecin ?

¿Cómo podemos aumentar Ude un sistema cerrado?

1) Calentándolo calor2) Realizando un trabajo

U = Q + W

1er Principio de la Termodinámica

Energía interna = calor + trabajo

“ La energía no se crea ni se pierde solo se transforma”

ENTALPÍA.ENTALPÍA.33H = U + PV Entalpía

(H)

• Función de estado• Propiedad extensiva• Unidades de energía

Proceso a P = cte

);VP(VQVPQWQUUU 12pVVp12

2

1 d

HHHPVUPVUQ 121122p

Relación entre H y U

H = U + (PV)Si P=cte

H = U + PV H Usól/líq

solo

CALOR DE REACCIÓN. LEY DE HESS.CALOR DE REACCIÓN. LEY DE HESS.44Reaccionesquímicas

• Exotérmicas (Q < 0)

• Endotérmicas (Q > 0)

El calor de reacción se mide con un calorímetro[Petrucci, pg 227]

Qv = U = Uprod - Ureac

Qp = H = Hprod - HreacH = U + (PV)

H U

¿Intervienengases?

NoSí

H = U + (nRT)

H = U + RTnSi T=cte

MÉTODOS PARA DETERMINARLA

Entalpía de reacciónEntalpía de reacciónIncremento de entalpía que tiene lugar durante la reacción

Método 1 Medir Qp con un calorímetro

)g(CO)g(O2

1)g(CO 22 H = -283 kJ

)g(CO2)g(O)g(CO2 22 H = -566 kJ

)g(O2

1)g(CO)g(CO 22 H = +283 kJ

Método 2 Medir Qv con un calorímetro; H = U+RTn

Método 3 Ley de Hess

)g(CO)g(O2

1)s(C 2 H = ?

)g(CO)g(O)s(C 22 H = -393.5 kJ

Germain Henri Hess(1802-1850)

El calor intercambiado cuando una reacciónquímica se lleva a cabo a T y P constantes esel mismo tanto si la reacción ocurre en unaetapa o en varias.

)g(CO)g(O)s(C 22 H = -393.5 kJ

)g(O2

1)g(CO)g(CO 22 H = +283 kJ

)g(CO)g(O2

1)s(C 2 H = -110.5 kJ

H: función de estado

ENTALPÍA ESTÁNDAR DE FORMACIÓN.ENTALPÍA ESTÁNDAR DE FORMACIÓN.55Estado estándar de una sustancia: su forma pura a 1 bar.

Entalpía de reacción estándar (Hº): H cuando los reactivos en susestados estándar pasan a productos en sus estados estándar respectivos.

Entalpía estándar de formación (Hfº) de una sustancia: Entalpíaestándar de reacción para la formación de un mol de la sustancia apartir de sus elementos en su estado más estable. (Unid: Jmol-1)

Hfº (C2H5OH, l) a 25ºC = -277.69 kJmol-1

)l(OHHC)g(O2

1)g(H3)grafito,s(C2 5222

Hfº (elemento en su estado más estable) = 0

ENTALPÍAS DE ENLACE.ENTALPÍAS DE ENLACE.66Método 5 A partir de entalpías de enlace

¡Ojo! Método aproximado ESTIMACIÓN

Reacción química: Proceso en el que se rompen unos enlaces yse forman otros nuevos.La ruptura/formación de un enlace conlleva intercambio energético.

H C H + Cl Cl H C Cl + H Cl

H

H

H

H

Entalpía de disociación de un enlace dado en una moléculadeterminada: Energía requerida para romper ese enlace en unmol de dichas moléculas en estado gaseoso a P cte.

Entalpía de enlace: Valor promedio de la energía requerida pararomper enlaces similares en un gran número de moléculasdiferentes. (Un mol; estado gaseoso; P cte) Tabular

)formados(EE)rotos(EEH

¡Ojo! * Método aproximado ESTIMACIÓN Fiabilidad: 10 kJ como máximo* Sólo es aplicable a reacciones entre gases.

H C H + Cl Cl H C Cl + H Cl

H

H

H

HH = 413 + 243 – 328 – 432 = –104 kJ

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