introducción y conceptos básicos de termodinámica · primera ley de la termodinámica 3.1...
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Introducción y conceptos básicos de
termodinámica
Química III medio Común
2018
Aprendizajes esperados
• Conocer conceptos básicos termodinámicos y su relación en una
reacción química.
• Identificar tipos de reacciones termodinámicas.
Pregunta oficial PSU
En una reacción química es importante conocer los cambios de la
energía libre, de la entropía y de la entalpía. ¿Cuál secuencia interpreta
el significado de estas propiedades?
Fuente: DEMRE – U. DE CHILE, Admisión PSU 2010
1. Termodinámica
2. Energía
3. Primera ley de la termodinámica
1. Termodinámica
La termodinámica es la parte de la física que
estudia las transformaciones entre calor y
trabajo que acompañan a los procesos químicos.
El principal foco de estudio son las
propiedades macroscópicas,
principalmente las denominadas
“funciones de estado”.
Función de estado Propiedad macroscópica cuyo estudio solo se
realiza por medio de la variación en relación
con su estado inicial y final.
Temperatura, presión,
volumen, energía, etc.
1. Termodinámica
1.1 Funciones termodinámicas
Entalpía Energía calórica
ΔH
Entropía Grado de desorden
ΔS
Energía libre Gibbs Espontaneidad
ΔG
1. Termodinámica
1.2 Sistemas termodinámicos
Parte del universo de interés de estudio.
Ocurren las reacciones químicas y físicas
de interés.
Universo
Sistema termodinámico
Alrededores
Entorno del sistema termodinámico.
Pueden ocurrir intercambios de masa y/o
energía con un sistema.
1. Termodinámica
1.2 Sistemas termodinámicos
Sistema abierto Intercambio de masa y energía con
los alrededores.
Sistema cerrado
No hay intercambio de masa, solo
de energía.
Sistema aislado No hay intercambio de masa ni de
energía.
Ejercitación Ejercicio 9
“guía del alumno”
C Reconocimiento
Un sistema cerrado es aquel que
A) intercambia materia y energía con su entorno.
B) intercambia materia con su entorno.
C) intercambia energía con su entorno.
D) no intercambia ni materia ni energía con su entorno.
E) realiza trabajo sobre su entorno.
Energía de activación Energía necesaria para iniciar
la reacción.
Energía de reacción Diferencial de energía entre
reactantes y productos.
2.1 Tipos de energía
2. Energía
Reacción
exergónica
Libera energía durante su desarrollo.
La energía de los reactantes es mayor que la de
los productos.
Reacción
endergónica
Consume energía durante su desarrollo.
La energía de los reactantes es menor que la de
los productos.
2.2 Tipos de reacciones
2. Energía
Ejercitación
C Reconocimiento
La energía de activación, fundamental para todo proceso químico, se puede
asociar a la etapa
A) de formación de sustrato.
B) de desaparición de reactantes.
C) limitante de la reacción.
D) donde se consume el catalizador.
E) de formación de enlaces.
2.3 Calorimetría
Consiste en la medición del calor involucrado en cambios físicos y
químicos.
Calor
Calor específico Capacidad calorífica
Calor necesario para elevar
en un grado Celsius la
temperatura de un gramo
de sustancia.
Calor que se requiere para
elevar en un grado Celsius
la temperatura de una
cantidad de sustancia.
2. Energía
2. Energía
2.4 Calorímetro
Termómetro
Agitador
Contenedor
Aislado
Mezcla
Reactiva
El calorímetro es un instrumento
que sirve para medir las
cantidades de calor transferidas
en una reacción. Es decir, sirve
para determinar el calor
específico de un cuerpo, así
como para medir las cantidades
de calor que liberan o absorben
los cuerpos.
3. Primera ley de la termodinámica
3.1 Energía interna
Establece que la energía se puede convertir de una forma a otra, pero no se
puede crear ni destruir. Es posible demostrar la validez de la primera ley
midiendo solo el cambio en la energía interna (∆E) de un sistema entre su
estado inicial y su estado final.
Flujo de energía entre el sistema
y los alrededores.
Energía fluye desde el
sistema hacia los alrededores
o viceversa.
E° Sistema = –E° Alrededores
Diferencia asociada a una
energía final y una inicial. Δ E° = E°f – E°i
Principalmente el
estudio de energía se
hace con relación al
sistema.
La energía relacionada con un sistema está dada por
el calor y trabajo asociados. La expresión matemática
del primer principio de la termodinámica es:
Q = + , si calor es absorbido.
Q = – , si calor es desprendido.
W = + , trabajo realizado por el sistema.
W = – , trabajo realizado sobre el sistema.
ΔU = Q – W
Q = calor
Corresponde al calor absorbido o
desprendido.
W = trabajo
Trabajo realizado por o sobre el
sistema.
∆U = variación de energía interna del sistema entre sus estados inicial y final.
3. Primera ley de la termodinámica
3.1 Energía interna
3. Primera ley de la termodinámica
3.1 Energía interna
Ejercitación Ejercicio 8
“guía del alumno”
C Reconocimiento
La variación de la energía interna dentro de una reacción, que ocurre a presión y
volumen constantes, se conoce como
A) cambio de entropía.
B) reacción exotérmica.
C) cambio de entalpía.
D) reacción endotérmica.
E) energía de activación.
3. Primera ley de la termodinámica
3.2 Entalpía
Expresa una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un
sistema termodinámico, es decir, la cantidad de energía que un sistema
puede intercambiar con su entorno.
Se define la entalpía de un sistema, H, mediante la siguiente expresión.
H = U + pV
U: energía interna
p: presión del sistema
V: volumen
La entalpía es una función de estado, es decir, su variación solo depende
de los estados inicial y final. Dado que el calor no es una función de
estado, suele medirse a volumen y presión constante.
Qp = ∆H
Cantidad de calor absorbido o
liberado a presión constante por un
sistema termodinámico.
3. Primera ley de la termodinámica
2CO (g) + O2 2CO2 (g) ΔH= –556,0 kJ
Entalpía para una reacción.
∆ H = H productos – H reactantes
Si ΔH es negativo
Productos tienen menos energía
que los reactantes.
Reacción libera calor.
Reacción exotérmica.
3.2 Entalpía
3. Primera ley de la termodinámica
Si ΔH es positivo
Productos tienen más energía que
los reactantes.
Reacción requiere calor.
Reacción endotérmica.
H2O (g) H2 (g) + ½O2 (g)
ΔH= 285,8 kJ
3.2 Entalpía
Ejercitación
E ASE
¿Cuál(es) de las siguientes afirmaciones es (son) correcta(s) con respecto a las
reacciones exotérmicas?
I) El calor contenido en los reactantes es mayor que el de los productos.
II) Presentan un ΔH negativo.
III) Se libera energía calórica durante el proceso.
A) Solo I D) Solo I y III
B) Solo II E) I, II y III
C) Solo III
En una reacción química es importante conocer los cambios de la
energía libre, de la entropía y de la entalpía. ¿Cuál secuencia interpreta
el significado de estas propiedades?
Fuente: DEMRE – U. DE CHILE, Admisión PSU 2010
Pregunta oficial PSU
ALTERNATIVA CORRECTA
B
Síntesis de la clase
SISTEMA
TERMODINÁMICO Transformaciones de
energía
Reacción química
Si libera energía
Reacción
exergónica
Energía de reacción Calor de reacción
Si consume energía
Reacción
endergónica
Si libera calor
Reacción
exotérmica
Si consume calor
Reacción
endotérmica