Conceptos Básicos de

Termodinámica

FUNDAMENTOS DE TERMODINÁMICAFUNDAMENTOS DE TERMODINÁMICA

QuímicaQ.

Física

Q. Inorgáni

ca

Q. Orgánic

a

Q. Analítica

FUNDAMENTOS DE TERMODINÁMICAFUNDAMENTOS DE TERMODINÁMICATermodiná

mica

Cinética Q.

Q. Cuántic

a

Q. Física

Electroquímica

no tiempo

no molécula

FUNDAMENTOS DE TERMODINÁMICAFUNDAMENTOS DE TERMODINÁMICA

Fundamentos de

Termodinámica

Principios y Propiedades

Termodinámicas

Gases Ideales

Propiedades y Cambios

Sustancia Pura

Reacciones Químicas

Relaciona magnitudes macroscópicasque pueden medirse experimentalmente,abarca toda la naturaleza

Las moléculas del gas no interaccionanNo ocupan volumen

Propiedades de un sistema

Se puede definir un sistema como un conjunto de materia, que está limitado por una superficie, que le pone el observador, real o imaginaria. Si en el sistema no entra ni sale materia, se dice que se trata de un sistema cerrado, o sistema aislado si no hay intercambio de materia y energía, dependiendo del caso. En la naturaleza, encontrar un sistema estrictamente aislado es, por lo que sabemos, imposible, pero podemos hacer aproximaciones. Un sistema del que sale y/o entra materia, recibe el nombre de abierto. Ponemos unos ejemplos:

Un sistema abierto: es por ejemplo, un coche. Le echamos combustible y él desprende diferentes gases y calor. Un sistema cerrado: un reloj de cuerda, no introducimos ni sacamos materia de él. Solo precisa un aporte de energía que emplea para medir el tiempo. Un sistema aislado:¿Cómo encontrarlo si no podemos interactuar con él?.

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

Sistema: Parte del universo que es objeto de estudio.Entorno, alrededores, medio ambiente: Resto del universo

Tipos de sistemas

MateriaEnergía

Abierto

Materia

Cerrado

MateriaEnergía

Aislado

Puedeintercambiar

Sistemas

Sistemas cerrados: Son los sistemas que no presentan intercambio con el medio ambiente que los rodea, pues son herméticos a cualquier influencia ambiental. Así, los sistemas cerrados no reciben ninguna influencia del ambiente, y por otro lado tampoco influencian al ambiente. b) Sistemas abiertos: son los sistemas que presentan relaciones de intercambio con el ambiente, a través de entradas y salidas. Los sistemas abiertos intercambian materia y energía regularmente con el medio ambiente

¿Qué separa el sistema de los alrededores?

Paredes

Rígida

Móvil

Adiabática

Diatérmicas

Permeable

Impermeable

Semipermeable

Paredes

Rígidas

Móvil

Sistema CerradoDiatérmica

Formas de Energía

Energía es la capacidad de un sistema físico para realizar trabajo. La materia posee energía como resultado de su movimiento o de su posición en relación con las fuerzas que actúan sobre ella.

La energía luminosa (o radiante) procedente del sol se encuentra en la base de casi todas las formas de energía actualmente disponibles: la madera y los alimentos proceden directamente de la energía solar; los combustibles fósiles corresponden a un almacenamiento de energía de duración muy larga, cuya fuente es igualmente el sol: se trata de productos de transformación de organismos que vivieron hace millones de años para llegar al petróleo, al gas o al carbón.La energía química deriva directamente de la energía luminosa o solar, bajo la forma potencial de alimentos, vegetales, o combustibles. La energía térmica junto con la energía química, constituye una de las

La energía hidráulica tiene también su origen en el sol. La radiación solar hace evaporar el agua de los mares, lagos, etc., y forma nubes que producen nieve o lluvia que aseguran la perennidad del ciclo del agua.La energía mecánica, en forma de trabajo, es una energía cada vez más indispensable al hombre para la satisfacción de todas sus necesidades. Antes, el hombre solo podía contar con su propia energía muscular para desplazarse, ejecutar los trabajos necesarios para la producción de alimentos, vestidos, edificaciones, etc. La energía eléctrica es una forma de energía de transición (ni primaria ni final) extremadamente difundida actualmente y cómoda debido a sus posibilidades de conversión (calefacción, iluminación, energía mecánica, etc.) y de transporte. Proviene, en general, de la conversión, en centrales, de energía mecánica por medio de generadores (o alternadores).La energía nuclear es la única forma de energía que no tiene el sol como

Formas de Energía

Pared permeable

Pared semipermeable

Pared impermeable

60ºC 40ºC

60ºC 40ºC 60ºC 40ºC

Pared adiabática

50ºC 50ºC

Pared diatérmica

Los sistemas se presentan de diferentes formas ⇒ ESTADOS

caracterizados por VARIABLES termodinámicas

ExtensivasIntensivas

Tipos de variables

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

Dependen de la cantidadde materia del sistemaEj: m, V Son aditivas

Variable = Propiedad Termodinámica = Función de Estado

No dependen de la historia

Si las propiedades macroscópicasintensivas a lo largo de un sistema son idénticas

el sistema de denomina homogéneo

Si por el contrario estas propiedades no son idénticas el sistema se denomina

heterogéneo

Un sistema heterogéneo puede constar de varios sistemas homogéneos a estas partes se les llama fases

En este caso tenemos tres fases, la sal no disuelta, lalasoluciónsolución y el vapor de agua

EQUILIBRIO

La termodinámica estudia sistemas en equilibrio (o procesos reversibles)

Equilibrio térmico Temperatura constante entodos los puntos del sistema

Equilibrio mecánico Todas las fuerzas están equilibradas

Equilibrio material No hay cambios globales enla composición del sistema, ni transferencia de materia

no se observan variaciones macroscópicas con el tiempo

Procesos, Ciclos, Sistemas cerrados o Abiertos

Se dice que un sistema pasa por un proceso termodinámico, o transformación termodinámica, cuando al menos una de las coordenadas termodinámicas no cambia. Los procesos más importantes son:

Procesos isotérmicos: son procesos en los que la temperatura no cambia. Procesos Isobáricos: son procesos en los cuales la presión no varía. Procesos Isócoros: son procesos en los que el volumen permanece constante.

Trayectoria = Camino que sigue el sistema cuando su estado , las funciones de estado, cambia con el tiempo⇓

PROCESO termodinámico

Tipos deprocesos

Isotermo (T = cte) Isobaro (P = cte) Isocoro (V = cte) Adiabático (Q = 0) Cíclico (estado final = estado inicial)

Irreversible

Reversible(sistema siempre infinitesimalmente próximo al equilibrio; un cambio infinitesimal en las condiciones puede invertir el proceso)

(un cambio infinitesimal en las condiciones no produce un cambio de sentido en la transformación).

TEMPERATURA [K] [ºC]

La temperatura es una propiedad intensiva del sistema, relacionada con la energía cinética media de las moléculas que lo constituyen.

Su cambio supone el cambio repetitivo y predecible en otras propiedades del sistema, lo que permite asignarle un valor numérico

Termodinámica y energía

La termodinámica (del griego termo, que significa "calor" y dinámico, que significa "fuerza" ) es una rama de la física que estudia los efectos de los cambios de la temperatura, presión y volumen de los sistemas físicos a un nivel macroscópico. Aproximadamente, calor significa "energía en tránsito" y dinámica se refiere al "movimiento", por lo que, en esencia, la termodinámica estudia la circulación de la energía y cómo la energía infunde movimiento. Históricamente, la termodinámica se desarrolló a partir de la necesidad de aumentar la eficiencia de las primeras máquinas de vapor.

Estado y Equilibrio

En termodinámica, se dice que un sistema se encuentra en estado de equilibrio termodinámico, si es incapaz de experimentar espontáneamente algún cambio de estado cuando está sometido a unas determinadas condiciones de contorno, (las condiciones que le imponen sus alrededores). Para ello ha de encontrarse simultáneamente en equilibrio mecánico y equilibrio químico.

La termodinámica clásica trata, casi siempre, de transformaciones entre estados de equilibrio. La palabra equilibrio implica un estado que ha repartido sus variables hasta que no hay cambios. En el estado de equilibrio no hay potenciales sin balancear (o fuerzas perturbadoras) con el sistema. Un sistema se dice que ha llegado al equilibrio

Principio cero de la termodinámica

Cuando dos sistemas A y B están en equilibrio térmico con untercero C, A y B también están en equilibrio térmico entre si

PRESIÓN

Fuerza que se ejerce por unidad de área

Unidades1 Pa = 1 N/m2

1 bar = 105 Pa = 750 mmHg

1 at = 1,01325 bar = 760 mmHg

UNIDAD III

Primera Ley de la Termodinámica

Transferencia de calor, trabajo, calor especifico, energía

interna, entalpía, calores específicos de sólidos y líquidos.

Calor es la energía en tránsito desde un sistema con alta temperatura a otro sistema con más baja temperatura.

El calor se asocia con la energía interna cinética y potencial de un sistema (movimiento molecular aparentemente desorganizado).

El calor siempre fluye desde una región con temperatura más alta hacia otra región con temperatura más baja. La transferencia o dispersión del calor puede ocurrir a través de tres mecanismos posibles, conducción, convección y radiación:

CONDUCCIÓN: Flujo de calor a través de medios sólidos por la vibración interna de las moléculas y de los electrones libres y por choques entre ellas. CONVECCIÓN: Es el flujo de calor mediante corrientes dentro de

RADIACIÓN: Es la transferencia de calor por medio de ondas electromagnéticas.

Trabajo

Un tipo de trabajo mecánico es el que implica cambiar la posición de un objeto:

En este caso, el trabajo, W es igual al producto de la fuerza aplicada, E, por la distancia recorrida, d:

W = F x d

Calor Especifico y Energía InternaCALOR ESPECÍFICO El calor específico o capacidad calorífica

específica, c, de una sustancia es la cantidad de calor necesaria para aumentar su temperatura en una unidad por unidad de masa, sin cambio de estado:

En donde c es el calor específico, Q es la cantidad de calor, m la masa y T la diferencia entre las temperaturas inicial y final. Su unidad en el Δ

sistema SI es el julio por kilogramo y kelvin, cuya notación es J/(kg•K).

En física, la energía interna U de un sistema intenta ser un reflejo de la energía a escala microscópica. Más concretamente, es la suma de:

la energía cinética interna, es decir, de las sumas de las energías cinéticas de las individualidades que lo forman

EntalpíaEntalpía (del prefijo en y del griego thalpein calentar), tal palabra fue

escrita en 1850 por el físico alemán Clausius. La entalpía es una magnitud de termodinámica simbolizada con la letra H, la variación de entalpía expresa una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico, o, lo que es lo mismo, la cantidad de energía que tal sistema puede intercambiar con su entorno.

La entalpía se define mediante la siguiente fórmula:

Donde: H es la entalpía (en julios). U es la energía interna (en julios). p es la presión del sistema (en pascales). V es el volumen del sistema (en metros cúbicos). es la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura ,

Conservación de la masa y la energíaLa ley de la conservación de la energía constituye el primer principio de la

termodinámica y afirma que la cantidad total de energía en cualquier sistema aislado (sin interacción con ningún otro sistema) permanece invariable con el tiempo, aunque dicha energía puede transformarse en otra forma de energía. En resumen, la ley de la conservación de la energía afirma que la energía no puede crearse ni destruirse, sólo se puede cambiar de una forma a otra (por ejemplo, cuando la energía eléctrica se transforma en energía calorífica en un calefactor).

Dentro de los sistemas termodinámicos, una consecuencia de la ley de conservación de la energía es la llamada primera ley de la termodinámica, la cual establece que, al suministrar una determinada cantidad de energía térmica (Q) a un sistema, esta cantidad de energía será igual a la diferencia del incremento de la energía interna del sistema ( UΔ ) menos el trabajo (W) efectuado por el sistema sobre sus alrededores:

Aunque la energía no se pierde, se degrada de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica. En un proceso irreversible, la entropía de un sistema aislado aumenta y no es posible devolverlo al estado termodinámico físico anterior. Así un sistema físico aislado puede cambiar su estado a otro con la misma energía pero con dicha energía en una forma menos aprovechable. Por ejemplo, un movimiento con fricción es un proceso irreversible por el cual se convierte energía mecánica en energía térmica. Esa energía térmica no puede convertirse en su totalidad en energía mecánica de nuevo ya que, como el proceso opuesto no es espontáneo, es necesario aportar energía extra para que se produzca en el sentido contrario.

La conservación de la masa: Un cambio ya se ha físico o químico no provoca la creación de

destrucción de materia sino únicamente un reordenamiento de las partículas constituyentes.

Ley de las proporciones definidas: Cuando varios elementos se combinan para formar un compuesto la relación entre las masas de cada uno de ellos es siempre constante.

Ley las proporciones múltiples: Cuando al unirse dos elementos pueden formar más de un compuesto, las cantidades de un elemento que se unen con una cantidad fija de otro elemento, para formar en cada caso un compuesto diferente, está en una relación de número sencillo.

Ley de los equivalentes: Los pesos de diferentes sustancias que se combinan con un mismo peso de otra dan la relación en que ellos se combinan entre sí multiplicada por un número sencillo.

Deposito de energía térmica

Segunda ley de la termodinámica

Esta ley regula la dirección en la que deben llevarse a cabo los procesos termodinámicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario (por ejemplo, que una mancha de tinta dispersada en el agua pueda volver a concentrase en un pequeño volumen). También establece, en algunos casos, la imposibilidad de convertir completamente toda la energía de un tipo en otro sin pérdidas. De esta forma, La Segunda ley impone restricciones para las transferencias de energía que hipotéticamente pudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta sólo el Primer Principio. Esta ley apoya todo su contenido aceptando la existencia de una magnitud física llamada entropía tal que, para un sistema aislado (que no intercambia materia ni energía con su entorno), la variación de la entropía siempre debe ser mayor que cero. Debido a esta ley también se tiene que el flujo espontáneo de calor

Enunciado de Clausius

En palabras de Sears es: " No es posible ningún proceso cuyo único resultado sea la extracción de calor de un recipiente a una cierta temperatura y la absorción de una cantidad igual de calor por un recipiente a temperatura más elevada".

Enunciado de Kelvin

No existe ningún dispositivo que, operando por ciclos, absorba calor de una única fuente y lo convierta íntegramente en trabajo.

En el desarrollo de la segunda ley de la termodinámica, es muy conveniente tener un hipotético cuerpo que posea una capacidad de energía térmica relativamente grande que pueda suministrar o absorber cantidades dinitas de calor sin experimentar ningún cambio de temperatura. Tal cuerpo se llama depósito de energía térmica, o solo deposito. En la práctica, los grandes cuerpos de agua, como océanos, lagos y ríos, así como el aire atmosférico se pueden modelar de manera

Procesos reversibles e irreversibles

Un proceso es reversible si, después de que ocurre, tanto el sistema como entorno pueden, por cualquier medio posible, regresar a su estado original. Cualquier otro proceso se conoce como irreversible.

Los procesos reversibles son importantes porque proporcionan el trabajo Máximo para dispositivos que producen trabajo, y el trabajo mínimo de entrada a di positivos que absorben trabajo para operar. Para estos dispositivos y muchos otros, los procesos reversibles son normas de comparación. Para determinar si i proceso es reversible, es necesario aplicar la segunda ley.

Muchos otros efectos tales como un flujo de corriente eléctrica a través de una resistencia son también irreversibles pero no se describen aquí. En

Entropía

En termodinámica, la entropía (simbolizada como S) es la magnitud física que mide la parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo. Es una función de estado de carácter extensivo y su valor, en un sistema aislado, crece en el transcurso de un proceso que se dé de forma natural. La palabra entropía procede del griego y significa evolución o transformación.

Desigualdad de Clausius: La desigualdad de Clausius es una relación entre las temperaturas de un numero arbitrario de fuentes térmicas y las cantidades de calor entregadas o absorbidas por ellas, cuando a una sustancia se le hace recorrer un proceso cíclico arbitrario durante el cual intercambie calor con las fuentes.

Esta desigualdad viene dada por: dQ / T <= 0 en el caso de una cantidad infinita de fuentes.

Sólidos, Líquidos y Gases ideales

Los gases tienen 3 propiedades características: (1) son fáciles de comprimir, (2) se expanden hasta llenar el contenedor, y (3) ocupan más espacio que los sólidos o líquidos que los conforman.

COMPRESIBILIDAD Una combustión interna de un motor provee un buen ejemplo de la

facilidad con la cual los gases pueden ser comprimidos. En un motor de cuatro pistones, el pistón es primero halado del cilindro para crear un vacío parcial, es luego empujado dentro del cilindro, comprimiendo la mezcla de gasolina/aire a una fracción de su volumen original.

EXPANDIBILIDAD Cualquiera que halla caminado en una cocina a donde se hornea un pan,

ha experimentado el hecho de que los gases se expanden hasta llenar su contenedor, mientras que el aroma del pan llena la cocina. Desgraciadamente la misma cosa sucede cuando alguien rompe un

VOLUMEN DEL GAS VS. VOLUMEN DEL SÓLIDO La diferencia entre el volumen de un gas y el volumen de un líquido o

sólido que lo forma, puede ser ilustrado con el siguiente ejemplo. Un gramo de oxígeno líquido en su punto de ebullición (-183oC) tiene un volumen de 0.894 mL. La misma cantidad de O2 gas a 0oC la presión atmosférica tiene un volumen de 700 mL, el cual es casi 800 veces más grande. Resultados similares son obtenidos cuando el volumen de los sólidos y gases son comparados. Un gramo de CO2 sólido tiene un volumen de 0.641 mL. a 0oC y la presión atmosférica tiene un volumen de 556 mL, el cual es mas que 850 veces más grande. Como regla general, el volumen de un líquido o sólido incrementa por un factor de 800 veces cuando formas gas.

PRESIÓN VS FUERZA El volumen de un gas es una de sus propiedades características. Otra

propiedad es la presión que el gas libera en sus alrededores. Muchos de nosotros obtuvimos nuestra primera experiencia con la presión, al

Ciclos Termodinámicos

Resulta útil tratar los procesos termodinámicos basándose en ciclos: procesos que devuelven un sistema a su estado original después de una serie de fases, de manera que todas las variables termodinámicas relevantes vuelven a tomar sus valores originales. En un ciclo completo, la energía interna de un sistema no puede cambiar, puesto que sólo depende de dichas variables. Por tanto, el calor total neto transferido al sistema debe ser igual al trabajo total neto realizado por el sistema.

Un motor térmico de eficiencia perfecta realizaría un ciclo ideal en el que todo el calor se convertiría en trabajo mecánico. El ciclo de Carnot, es un ciclo termodinámico que constituye el ciclo básico de todos los motores térmicos, y demuestra que no puede existir ese motor perfecto. Cualquier motor térmico pierde parte del calor suministrado. El segundo principio de la termodinámica impone un límite superior a la eficiencia de un motor, límite que siempre es menor del 100%. La

Ciclo de refrigeraciónLos sistemas de compresión emplean cuatro elementos en el ciclo de refrigeración: compresor, condensador, válvula de expansión y evaporador.

En el evaporador, el refrigerante se evapora y absorbe calor del espacio que está enfriando y de su contenido.

A continuación, el vapor pasa a un compresor movido por un motor que incrementa su presión, lo que aumenta su temperatura (entrega trabajo al sistema).

El gas sobrecalentado a alta presión se transforma posteriormente en líquido en un condensador refrigerado por aire o agua.

Después del condensador, el líquido pasa por una válvula de expansión,