1 El estudio de la energía y sus transformaciones se conoce como termodinámica Termodinámica La termoquímica es la parte de la termodinámica que estudia las relaciones entre las reacciones químicas y los cambios de energía. (termodinámica = posibilidad de ocurrencia;cinética = tiempos reales de ocurrencia) (Del griego: calor y potencia)
2 Sistema: una parte limitada y bien definida del universo objeto de estudio.
Entorno o medio exterior : todo lo demás que rodea al sistema
(Gp:) Entorno (Gp:) Energía (Gp:) Sistema
Universo = sistema + entorno Sistema
3 Adiabático: No hay transferencia de calor por las paredes (Gp:) Abierto (Gp:) Cerrado (Gp:) Aislado
Abierto: puede intercambiar energía y masa Cerrado: puede intercambiar energía pero no masa Aislado: No intercambia energía ni masa Para una descripción mas completa del sistema : Descripción del contorno o de los limites. Interacciones con el entorno: paso de materia y energía
4 Un sistema termodinámico se analiza mediante tres variables termodinámicas o coordenadas termodinámicas:
Temperatura Presión Volumen Un sistema está en EQUILIBRIO, cuando las variables termodinámicas permanecen constantes Puedo perturbar un sistema en equilibrio ingresando calor o haciendo trabajo. Durante este proceso transitorio, se produce un cambio de las variables y nosotros estudiamos el “nuevo estado de equilibrio”.
5 Equilibrio MECÁNICO: cuando la sumatoria de todas las fuerzas exteriores es nula Proceso reversible: cuando en cada paso está en equilibrio con el entorno Proceso irreversible: son los procesos reales fuera del equilibrio Equilibrio TERMICO: cuando la temperatura del sistemas es igual a la del entorno. Equilibrio QUÍMICO: cuando la reacción llega al equilibrio EQUILIBRIO TERMODINÁMICO
6 Energía Capacidad para realizar trabajo o de transferir calor. Trabajo [W] : es la energía que se usa para hacer que un objeto se mueva contra una fuerza.
Calor [Q] : Es la energía que se transfiere de un objeto más caliente a uno más frío (debe haber una diferencia de temperatura)
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Unidades de energía:
Unidades SI: Joule (J) (kg m2/s2)
1 cal = 4,184 J 1 J = 107 erg = 0,24 cal = 9,9×10-3 l.atm
R = 8,31J/(K.mol) = 8,31×107 erg /(K.mol) = = 2 cal /(K.mol) = 0,082 l.atm /(K.mol)
8 Formas de energía:
Energía cinética: energía que poseen los cuerpos o moléculas debido a su en movimiento. Energía potencial: energía que poseen los cuerpos o moléculas debido de su posición en un campo de fuerza.
Energía Térmica: se debe al movimiento de las partículas que constituyen la materia. Un cuerpo a baja temperatura tendrá menos energía térmica que otro que esté a mayor temperatura. Energía Química: Energía de enlace, es la energía potencial almacenada en los enlaces químicos de un compuesto. Las reacciones químicas liberan o absorben esta forma de energía Otras Energías: electromagnética, nuclear La energía total de un sistema es la suma de todos los tipos de energía
9 Energía interna (U) La energía total de un sistema es la suma de todas las energías cinética y potencial de sus partes componentes de todas sus partes componentes (rotaciones, vibraciones internas del núcleo y de los electrones de cada átomo) y se denomina energía interna (U).
No se puede determinar la energía exacta de un sistema, pero si se puede medir el cambio de energía interna que acompaña un proceso.
?U = Ufinal – Uinicial
10 Primera ley de la termodinámica También llamada ley de la conservación de la energía. “La energía se conserva”
“La energía puede convertirse de una forma en otra, pero no puede crearse ni destruirse”.
11 La realización de trabajo de las fuerzas exteriores o el intercambio de calor son las maneras de transferir la energía (sistema-entorno) y cambiar la energía interna del sistema. Expresión de la Primera Ley de la Termodinámica ?U = Q + W (Gp:) Entorno (Gp:) Energía (Gp:) Sistema
Energía Interna La energía de un sistema aislado es constante. Para un sistema que no es aislado: dU = dQ + dW En forma diferencial:
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DU = Ufinal – U inicial ,
Las cantidades de DU poseen un número y una unidad, que dan la magnitud del cambio y un signo que da la dirección.
Ufinal < U inicial ,sistema perdió energía al entorno Ufinal > U inicial , sistema ganó energía del entorno DU < 0 DU > 0 La energía interna de un sistema aislado es constante
13 Convención egoísta
Sistema DU>0 Calor Q>0 Trabajo W>0 El signo de la variación de energía interna depende de los signos de Q y W ?U = Q + W Q> 0: se transfiere calor del entorno al sistema Q < 0: se transfiere calor del sistema al entorno W > 0: el entorno efectúa trabajo sobre el sistema W < 0: el sistema efectúa trabajo sobre el entorno Todo lo que entra al sistema es positivo
14 Funciones de estado (Gp:) Energía interna, U
El valor de una función de estado no depende de la historia específica de la muestra, sólo de su estado (T, P). La energía interna es una función de estado extensiva porque depende de la cantidad total de materia del sistema.
La temperatura es una función de estado intensiva.
El trabajo y el calor no son funciones de estado
15 Un sistema puede realizar dos clases de trabajos:
Trabajo de expansión: es el realizado contra una fuerza externa. Ej: gas que se expande en un cilindro con un pistón que empuja contra la atmósfera y así realiza trabajo.
Trabajo de no expansión: todo trabajo distinto al debido a la expansión contra una presión opuesta. Ej: el trabajo eléctrico (empujar a los electrones a través de un circuito eléctrico) es la base de la generación química de la energía eléctrica (electroquímica). Trabajo (W)
16 (Gp:) P=F/A (Gp:) P=F/A (Gp:) hi (Gp:) hf (Gp:) Dh
Trabajo de expansión Estado inicial A Estado final El trabajo de expansión es realizado por un gas contra una fuerza externa w = F x distancia F= Pext . A Dh = hf –hi W = Pext.A (hf-hi) W = Pext (A.hf- A.hi) W = Pext (Vf- Vi) W = Pext ?V Trabajo realizado sobre el entorno por un gas que se expande contra una presión de oposición constante es Pext ?V En forma diferencial:
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