TEMAS SELECTOS DE FISICOQUÍMICA

¡¡BIENVENIDOS!!1ª SESIÓN.

Dr. René D. Peralta.Dpto. de Procesos de Polimerización.Correo electrónico: rene@ciqa.mxTel. 01 844 438 9830 Ext. 1260.

Maestría en Ciencia e Ingeniería de Materiales.

PEÑOLES

CONTENIDO DEL CURSO

1. Introducción. 2. Motivación. ¿Por qué un curso de fisicoquímica? 3. Principios fundamentales. 4. Gases. 5. La primera ley de la termodinámica.

CONTENIDO DEL CURSO

6. Termoquímica. 7. Segunda ley de la termodinámica. 8. Principios extremos y relaciones termodinámicas. 9. Equilibrio químico en una mezcla de gases ideales.

CONTENIDO DEL CURSO

10. Equilibrio de fases en sistemas de un componente.11. Soluciones.12. Equilibrio de fases en sistemas multicom- ponentes.

INTRODUCCIÓN

QUÍMICA – FÍSICAAplicación de los métodos de la

física al estudio de sistemas químicos.Es el estudio de fenómenos

macroscópicos, atómicos, subatómicos y particulados en

sistemas químicos en términos de conceptos físicos.

Aplicación de los métodos de la física al estudio de sistemas

químicos.

Termodinámica, química cuántica, mecánica estadística y dinámica.

INTRODUCCIÓN

SISTEMA QUÍMICOElementos, compuestos y sus

mezclas.Sistema termodinámico.

Se define como un volumen en el espacio o un conjunto definido de materiales. La orilla externa imaginaria del sistema se llama su límite.

INTRODUCCIÓN

Termodinámica.

Estudia los cambios de energía en un proceso.Estudia la relación que existe

entre el calor y otras formas de energía.Estudia las interrelaciones entre

las diversas propiedades de equilibrio de un sistema.

INTRODUCCIÓN

Química cuántica.

Es la aplicación de las leyes de la mecánica cuántica a la estructura

atómica, enlace molecular y espectroscopia.

INTRODUCCIÓN

Mecánica estadística.

Estudia las razones de por qué se cumplen las leyes de la

termodinámica y permite el cálculo de propiedades

termodinámicas macroscópicas a partir de propiedades

moleculares.

INTRODUCCIÓN

Cinética.

Es el estudio de los procesos de velocidad: reacciones químicas, difusión, flujo de cargas en una

celda electroquímica.

INTRODUCCIÓN

Cinética: nos dice qué tan rápido podemos llegar (velocidad).

Termodinámica: nos dice hasta donde podemos llegar (equilibrio).

MOTIVACIÓN

Proporcionar las bases conceptuales básicas para

entender los fenómenos químicos.

Construir una visión global del mundo de la química y desarrollar

las habilidades para atacar problemas reales.

PRINCIPIOS FUNDAMENTALES

FORMAS DE LA ENERGIA:

Térmica Calor.

Mecánica Presión de un gas.Radiante Luz, rayos X, etc.Eléctrica Pilas, células nerviosas, etc.

Sistema termodinámico.Cualquier espacio o material en el

que se desea enfocar la atención.El sistema está separado del resto

del universo por un límite.Medio ambiente: lo que queda

fuera del límite.

PRINCIPIOS FUNDAMENTALES

Ejemplos de sistemas.Sistema abierto: permite la transferencia de masa y energía entre el sistema y el medio ambiente (alrededores).El sistema está separado del resto

del universo por un límite.

Medio ambiente: lo que queda fuera del límite.

PRINCIPIOS FUNDAMENTALES

PRINCIPIOS FUNDAMENTALES

CaCO3

PRINCIPIOS FUNDAMENTALES

Ejemplos de un sistema abierto.

Ejemplos de sistemas.

Sistema cerrado: no permite la transferencia de masa entre el sistema y los alrededores.

PRINCIPIOS FUNDAMENTALES

En un sistema cerrado se puede intercambiar energía a través de los

límites pero no masa. La tierra puede

considerarse como un sistema cerrado.

Ejemplos de sistemas.

Sistema cerrado: no permite la transferencia de masa entre el sistema y los alrededores.

PRINCIPIOS FUNDAMENTALES

En un sistema cerrado se puede intercambiar energía a través de los límites pero no

masa

PRINCIPIOS FUNDAMENTALES

Ejemplos de sistemas.

Sistema térmicamente aislado: no se da la transferencia de calor ni de masa entre el sistema y los alrededores.

→ →

Sistema abierto Sistema Cerrado Sistema Aislado

Visualización de los sistemas:

↔ matter

↔ energy ↔ energy not matter matter × Energy ×

PRINCIPIOS FUNDAMENTALES

PRINCIPIOS FUNDAMENTALES

Preguntas sobre sistemas.

Clasifica estos sistemas de acuerdo a sí son abiertos, cerrados o aislados.

PRINCIPIOS FUNDAMENTALES

Propiedades de los sistemas.

Extensivas: dependen de la masa del sistema. Por ejemplo: el volumen.Intensivas: no dependen de la masa del sistema. Por ejemplo: la temperatura.Propiedades Intensivas. Son color, olor, brillo, maleabilidad, ductilidad, conductividad, dureza y tersura, densidad, presión, punto de ebullición y punto de fusión.

Masa, peso, volumen y longitud todas son propiedades extensivas de la materia.

PRINCIPIOS FUNDAMENTALES

Ejercicios Sobre Propiedades de los Sistemas.

Clasifica según sean Propiedades Intensivas o Extensivas . Textura de un alimento.Porciento de partículas de x tamaño en un kilogramo de arena.El tono de la luna llena sin nubes en el cielo.El contenido absoluto de sales en un bote de agua de mar.El calor específico de un material.El canto de un pájaro.El canto de muchos pájaros.

El peso de un objeto es la fuerza de gravedad sobre el objeto y puede ser definida como la masa multiplicada por la aceleración de la gravedad: w = mg. Puesto que el peso es una fuerza, su unidad SI es el newton.

PRINCIPIOS FUNDAMENTALES

¿Cuál es mi masa y cuál es mi peso?

PRINCIPIOS FUNDAMENTALESEjemplos de sistemas.

Sistema homogéneo: cada propiedad intensiva es constante en todo el sistema.Fase: parte homogénea de un sistema.Sistema heterogéneo: está formado por varias fases.

PRINCIPIOS FUNDAMENTALES

Energía.

Es trabajo o cualquier cosa que se pueda producir por el trabajo o se convierta en este.Energía cinética: es la que posee una substancia en función del movimiento.Energía potencial: es la que posee una substancia debido a su posición.

EK = (1/2)mv2

EK = (1/2)mv2 Formula for kinetic energy.

EK = (1/2)(5.0 kg)(4.0 m/s)2 Plug in values for mass and speed.

EK = 40 J Kinetic Energy equals 40 J.

PRINCIPIOS FUNDAMENTALES

Estado termodinámico.

Se define especificando los valores sus propiedades termodinámicas.

Sí los dos sistemas termodinámicos tienen los mismos valores de sus propiedades, están en el mismo estado termodinámico.

PRINCIPIOS FUNDAMENTALES

Ecuación de estado.

Es una relación entre variables de estado: ecuación termodinámica que describe el estado de la materia bajo un conjunto dado de condiciones físicas. Es una ecuación constitutiva (relación entre dos variables físicas que es específica a un material o substancia): proporciona una relación matemática entre dos o más funciones de estado asociadas con la materia, tales como temperatura, presión, volumen o energía interna.

PRINCIPIOS FUNDAMENTALES

Equilibrio termodinámico.

La termodinámica clásica trata con sistemas en equilibrio.

Un sistema aislado se encuentra en equilibrio cuando se comprueba que sus propiedades se mantienen constantes con el tiempo.

Equilibrio es la condición de un sistema aislado en el cual están balanceadas las influencias competitivas.

PRINCIPIOS FUNDAMENTALES

Equilibrio termodinámico.

Un sistema en equilibrio representa un balance de fuerzas impulsoras y opuestas, es decir, una condición de reversibilidad

(Maron & Prutton, 1965; 4th Ed.). Equilibrio es la condición de un sistema aislado en el cual están balanceadas las influencias competitivas.

PRINCIPIOS FUNDAMENTALES

Proceso termodinámico.

Puede definirse como la evolución energética de un sistema termodinámico que procede o transcurre desde un estado inicial a un estado final.Es un cambio real que se produce por cualquier camino en un sistema.

PRINCIPIOS FUNDAMENTALES

Procesos termodinámicos.

Isobárico: presión constante. El movimiento de un pistón en un cilindro manteniendo el volumen constante.Isocórico: volumen constante, lo que significa que el trabajo hecho por el sistema es cero.Isotérmico: temperatura constante.

PRINCIPIOS FUNDAMENTALES

Procesos termodinámicos.

Isotentálpico: no introduce cambios de entalpía en el sistema.

Isoentrópico: entropía constante.

Adiabático: en este proceso no se agrega ni se substrae energía del sistema mediante calentamiento o enfriamiento.

Isoentrópico.Adiabático. Isoentálpico.

Isobárico. Isocórico. Isotérmico.

PRINCIPIOS FUNDAMENTALES

Límites de un sistema.

Las paredes de un sistema pueden ser de varios tipos.

PRINCIPIOS FUNDAMENTALES

Límites de un sistema.

Las paredes (o límites o fronteras) de un sistema pueden ser de

varios tipos:i. Rígidas o no rígidas (es decir,

fijas o móviles).ii. Permeable o impermeable

(transferencia de masa).iii. Adiabática o diatérmica

(transferencia de calor).

PRINCIPIOS FUNDAMENTALES

Temperatura.

Dos sistemas en equilibrio térmico tienen la misma temperatura.

La temperatura es una cantidad termodinámica que está relacionada con la energía de movimiento promedio o energía cinética de las partículas en la materia.

PRINCIPIOS FUNDAMENTALES

PRINCIPIOS FUNDAMENTALES

Presión. Se define como la magnitud de la fuerza normal por unidad de área ejercida por el sistema sobre sus alrededores: P F/A.

El Sistema Internacional de Unidades (abreviado SI del francés le Système international d'unités) es la forma moderna del sistema métrico y es generalmente un sistema de unidades de medición ideado alrededor de siete unidades básicas y la conveniencia del número 10. Es el sistema de medición más ampliamente utilizado en todo el mundo, tanto para el comercio diario como para la ciencia.

El SI fue desarrollado en 1960 a partir del antiguo sistema metro – kilógramo – segundo, más que de el sistema centímetro – gramo – segundo, el cual, a su vez, tiene unas pocas variantes. Puesto que el SI no es estático, se crean unidades y se modifican definiciones a través de acuerdos internacionales entre muchos países a medida que progresa la tecnología de la medición y se mejora la precisión de las mediciones.

SISTEMA DE UNIDADES SI

SI base unitsName Unit symbol Quantity Symbol

metre m length l (a lowercase L)

kilogram kg mass m

second s time t

ampere A electric current I (a capital i)

kelvin K thermodynamic temperature

T

candela cd luminous intensity

Iv (a capital i

with lowercase v subscript)

mole mol amount of substance

n

SISTEMA DE UNIDADES SI

Standard prefixes for the SI units of measure

Multiples

Name deca- hecto- kilo- mega- giga- tera- peta- exa- zetta- yotta-

Symbol da h k M G T P E Z Y

Factor 100 101 102 103 106 109 1012 1015 1018 1021 1024

 

Subdivision

s

Name deci- centi- milli- micro- nano- pico- femto- atto- zepto- yocto-

Symbol

d c m μ n p f a z y

Factor

100 10−1 10−2 10−3 10−6 10−9 10−12 10−15 10−18 10−21 10−24

SISTEMA DE UNIDADES SI

SISTEMA DE UNIDADES SIhttp://physics.nist.gov/cuu/Units/index.html

SI writing styleSymbols do not have an appended period/full stop (.).Symbols are written in upright (Roman) type (m for metres, s for seconds), Symbols for units are written in lower case, except for symbols derived from the name of a person.All symbols of prefixes larger than 103 (kilo) are also uppercase.

The SI rule is that symbols of units are not pluralised, for example "25 kg" (not "25 kgs").

A space separates the number and the symbol; e.g., "2.21 kg", "7.3×102 m2", "22 K". This rule explicitly includes the percent sign (%). Exceptions are the symbols for plane angular degrees, minutes and seconds (°, and ″), which are placed immediately after the ′number with no intervening space.

The 10th resolution of CGPM in 2003 declared that "the symbol for the decimal marker shall be either the point on the line or the comma on the line."

SISTEMA DE UNIDADES SI

Spaces may be used as a thousands separator (1000000) in contrast to commas or periods (1,000,000 or 1.000.000) in order to reduce confusion resulting from the variation between these forms in different countries.

Any line-break inside a number, inside a compound unit, or between number and unit should be avoided, but, if necessary, the last-named option should be used.

SISTEMA DE UNIDADES SI

Symbols for derived units (formed from multiple units by multiplication) are joined with a centre dot (·), dot (.), or a non-break space, for example, "N·m", "N.m", or "N m“.

Symbols formed by division of two units are joined with a solidus (⁄), or given as a negative exponent. For example, the "metre per second" can be written "m/s", "m s−1", "m·s−1”. Only one solidus should be used; e.g., "kg/(m·s2)" or "kg·m−1·s−2" are acceptable but "kg/m/s2" is ambiguous and unacceptable.

SISTEMA DE UNIDADES SI

SISTEMA DE UNIDADES SIhttp://physics.nist.gov/cuu/Units/index.html

SI writing styleSymbols do not have an appended period/full stop (.).Symbols are written in upright (Roman) type (m for metres, s for seconds), so as to differentiate from the italic type used for variables (m for mass, s for displacement). By consensus of international standards bodies, this rule is applied independent of the font used for surrounding text.Symbols for units are written in lower case, except for symbols derived from the name of a person. For example, the unit of pressure is named after Blaise Pascal, so its symbol is written "Pa", whereas the unit itself is written "pascal". All symbols of prefixes larger than 103 (kilo) are also uppercase. The one exception is the litre, whose original symbol "l" is unsuitably similar to the numeral "1" or the uppercase letter "i" (depending on the typeface used), at least in many English-speaking countries. The American National Institute of Standards and Technology recommends that "L" be used instead, a usage which is common in the US, Canada and Australia (but not elsewhere). This has been accepted as an alternative by the CGPM since 1979. The cursive ℓ is occasionally seen, especially in Japan and Greece, but this is not currently recommended by any standards body. For more information, see litre.

The SI rule is that symbols of units are not pluralised, for example "25 kg" (not "25 kgs").[11] The American National Institute of Standards and Technology has defined guidelines for American users of the SI.[12][13] These guidelines give guidance on pluralising unit names: the plural is formed by using normal English grammar rules, for example, "henries" is the plural of "henry".[12]:31 The units lux, hertz, and siemens are exceptions from this rule: They remain the same in singular and plural. Note that this rule applies only to the full names of units, not to their symbols.A space separates the number and the symbol; e.g., "2.21 kg", "7.3×102 m2", "22 K". This rule explicitly includes the percent sign (%). Exceptions are the symbols for plane angular degrees, minutes and seconds (°, and ″), which are placed immediately after the number ′with no intervening space.[14][15]

The 10th resolution of CGPM in 2003 declared that "the symbol for the decimal marker shall be either the point on the line or the comma on the line." In practice, the decimal point is used in English-speaking countries as well as most of Asia and the comma in most continental European languages.Spaces may be used as a thousands separator (1000000) in contrast to commas or periods (1,000,000 or 1.000.000) in order to reduce confusion resulting from the variation between these forms in different countries. In print, the space used for this purpose is typically narrower than that between words (commonly a thin space).Any line-break inside a number, inside a compound unit, or between number and unit should be avoided, but, if necessary, the last-named option should be used.

Symbols for derived units (formed from multiple units by multiplication) are joined with a centre dot (·), dot (.)[16], or a non-break space, for example, "N·m", "N.m", or "N m".[17]

Symbols formed by division of two units are joined with a solidus (⁄), or given as a negative exponent. For example, the "metre per second" can be written "m/s", "m s−1", "m·s−1" or . Only one solidus should be used; e.g., "kg/(m·s2)" or

"kg·m−1·s−2" are acceptable but "kg/m/s2" is ambiguous and unacceptable. Many computer users will type the / character provided on computer keyboards, which in turn produces the Unicode character U+002F, which is named solidus but is distinct from the Unicode solidus character, U+2044.

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¡Atracciones futuras!

Gases.

Primera ley de la termodinámica.