TERMODINAMICA

Introducción:

Desde los orígenes del Universo, hasta hoy, la materia ha estado

experimentando una serie de transformaciones que han ido conformando nuestro mundo. Son dos los actores fundamentales en etas transformaciones: la materia y la energía que se convierten una en otra a cada momento.

A diario y sin darnos cuenta, hacemos uso de las transformaciones de la materia y la energía, por ejemplo cuando convertimos el gas o la leña en calor a través de la combustión, al descomponerse una fruta o al oxidarse un metal.

¿Cuánto sabes?

1.- La energía fluye en el universo y tiene la capacidad de:

a) Almacenarse b) absorberse c) transformarse

2.- ¿Qué instrumento sirve para medir la energía liberada en una reacción química?

a) Termómetro b) calorímetro c) densímetro

3.- La descomposición del agua en sus elementos químicos:

a) Libera energía b) transforma energía c) absorbe energía

4.- En una reacción química se libera energía almacenada en los:

a) Elementos b) átomos c) enlaces

La termodinámica estudia las reacciones entre calor y otras clases de energía.

MATERIA ENERGÍA

cara visible cara oculta

Explica por qué las reacciones tienen lugar y nos permite

predecir la cantidad de calor que liberan y el trabajo que

pueden realizar.

Forma parte de nuestras vidas, ya que el calor emitido

por los combustibles al quemar y los recursos energéticos

aportados por los alimentos que ingerimos, están gobernados

por principios termodinámicos

UNIVERSO = SISTEMA + ENTORNO

Para realizar una investigación se debe establecer dónde está el fenómeno en estudio y señalar cuales son sus límites y entorno.

1.- Sistema: es lo que se desea estudiar, considerando las propiedades que tiene.

2.- Entorno: es la zona en que se produce el intercambio de algún atributo con el sistema

3.- Límite: es la separación del sistema real o imaginario con su entorno

4.- Universo: es el conjunto de sistema y entorno de una investigación.

Ejemplo:

1) ¿Qué pasaría si las puertas y ventanas estuvieran abiertas?

Si están abiertas, las alumnas podrían entrar y salir. Hay intercambio de materia.

Si están abiertas entra y sale ruido. Hay intercambio de energía

Se produce un sistema abierto.

2) ¿Qué pasaría si las puertas están cerradas?

No hay intercambio de alumnas, pero si de ruido. Es un sistema cerrado.

3) ¿Qué pasaría si puertas y ventanas están cerradas?

Si puertas y ventanas se cierran y se acolcha toda la sala, tenemos un sistema aislado.

Resumiendo:

Tema de estudio: medición del ruido

Sistema: sala ( cantidad de alumnas , nivel de ruido, profesor)

Límite: paredes de la sala de clases

Entorno: paredes del colegio

Universo: Copiapó

Tipo de sistema: ?

Ejemplo: comportamiento de las aves durante su ciclo reproductivo

Tipo de sistema: Abierto

Límite: hábitat de las aves y la parte no frecuentada por ellas

Entorno: zona de intercambio de materia y energía

Universo: ecosistema

Ejemplo: Aplicación de un programa de rehabilitación de drogadictos.

Tipo de sistema: cerrado

Sistema: Casa de acogida ( centro de rehabilitación)

Límite: paredes de la casa o del edificio

Entorno: espacio que rodea a la casa

Universo: Ciudad en que se ubica la casa

Ejemplos de sistema: ( ¿abierto, cerrado o aislado?)

1- una hormiga…………………………………………

2.- casa con patio……………………………………

3.- botella de bebida gaseosa tapada…………………………………

4.- La Tierra…………………………………….

5.- Termo………………………………

6.- Estudio de grabación………………………………

7.- Universo……………………………….

8.- Libro…………………………

9.- Refrigerador…………………………………….

10.- Diario de vida……………………………………

Los sistemas materiales pueden ser de varios tipos:

A.- En función del recipiente que los contiene:

a) Sistema abierto: son aquellos que intercambian materia y energía con el ambiente. Ej: combustión de gasolina, de la madera al aire libre o en recipiente con paredes permeables.

b) Sistema cerrado: son aquellos que no intercambian materia con el entorno , pero si energía. Ej: recipiente herméticamente cerrado pero con paredes diatérmicas

c) Sistema aislado: son aquellos que no pueden intercambiar con el entorno ni materia ni energía.

( estos son solamente teóricos, ya que no se conoce ningún material capaz de contener al calor)

B.- En función de los estados de agregación de sus componentes:

a) Sistema homogéneo: cuando todos los componentes del sistema están en el mismo estado de agregación, o sea, el sistema consta de 1 fase.

Ej: CH4(g) + 2 O2(g) CO2(g) + 2H2O(g)

b) Sistema heterogéneo: cuando los componentes del sistema están en varias fases o estados de agregación.

Ej: MgCO3 (s) CO2(g) + MgO(s)

Sistema y variables de estado Para describir un sistema, es necesario conocer el valor de una

serie de variables que determinan el estado inicial (Ei) y el estado final (Ef), a estos se les llama variables o propiedades de estado: Volumen, presión, temperatura y masa.

El cambio de estado se expresa :

X = Xf – X i

Ejemplo: Considera que tienes un trozo de cobre que pesa 30 g y está a una temperatura de 40°C. Al dejarlo sobre una mesa se enfría poco a poco hasta alcanzar una temperatura de 18°C. se produjo un cambio de estado que se registra como una modificación de la temperatura:

= 18°C - 40°C = -22 °C

Relacionemos las variables de estado

Un sistema físico o químico es mucho más sencillo que un sistema viviente. Para los primeros, bastará conocer su composición, presión, volumen, temperatura y concentración para poder determinar el estado inicial y final del sistema.

Por ejemplo, si a un sistema gaseoso se le aplica una presión responderá ( se comportará) siempre de la misma manera: disminuirá su volumen, según la siguiente ecuación, establecida experimentalmente:

P . V = n . R . T

P es la presión, V es el volumen, n es el número de moles del gas, R es una constante de los gases y T es la temperatura.

La relación entre las variables de estado de un sistema se llama ecuación de estado. Por lo tanto, la ecuación descrita, es la ecuación de estado de un sistema gaseosos y el valor de cualquiera de las variables dependerá de los valores de las otras tres; si una se modifica alguna otra también lo hará. Por ejemplo, si P aumenta, v deberá disminuir, siempre y cuando T y n se mantengan constantes.

Por esta razón, el conjunto de las variables d estado constituyen una función de estado. La magnitud del cambio de una función de estado depende únicamente del estado inicial y final del sistema y no de cómo se efectuó dicho cambio.

La variación de estado no depende del camino o trayectoria. Solo interesa los valores i y f. Estos son independientes del camino para llegar al estado final.

Veamos el siguiente ejemplo:

Se tiene una cubeta con 50 litros de agua a nivel del piso ( estado inicial) y se desea trasladar el agua hasta otra cubeta vacía que está ubicada sobre una repisa a 150 cm de altura ( estado final). Es obvio que la energía potencial del estado final es mayor que la del estado inicial y esta diferencia será la misma ya sea que: hayas levantado en tus brazos la cubeta y hayas vertido el líquido de una sola vez; hayas trasladado el agua en etapas con un recipiente de 5 litros o hayas levantado la cubeta con un mecanismo de poleas para luego trasvasijar el agua. Está claro que el gasto de energía en cada una de estas acciones es bien diferente, pero ahora no interesa la energía que tú gastas o malgastas, solo importa la diferencia de energía que poseerá el sistema al pasar del estado inicial al final.

TRABAJO, CALOR , ENERGÍA

TRABAJO: es la acción que modifica el sistema mismo o sus alrededores.

Cuando se ejerce fuerza se realiza trabajo y este modifica la energía de un objeto.

Se representa : W = f . d

W = trabajo

f = fuerza

d = desplazamiento

Cada vez que un sistema se

Expande, su trabajo es negativo. Por el contrario, si se comprime el trabajo es positivo para el sistema.

“Se modifica el volumen al aplicar fuerza”

W = f . (h2 – h1)

Expande W = negativo (-)

Contrae W = positivo (+)

CALOR: energía que se transfiere de un sistema a otro como consecuencia de una diferencia de temperatura. O sea, transferencia de energía desde un objeto caliente a uno más frío.

Calor absorbido = un cuerpo gana energía

Calor liberado = un cuerpo pierde energía

Ejemplo: 200 ml de agua a temperatura ambiente

¿Cómo puedo aumentar la temperatura?

Calentándola (calor)

Agitándola con una varilla ( trabajo)

Aumenta el movimiento de moléculas y aumenta la energía.

El calor puede transmitirse por 3 vías: conducción, convección y radiación.

1.- CONDUCCIÓN:

Calentar un clavo, el calor se propaga desde el extremo expuesto al fuego hacia todo el, clavo. Los átomos sometidos al calor aumentan su energía cinética comunicándola a los átomos vecinos.

Ocurre en los sólidos

2.- CONVECCIÓN:

Al calentar agua, la parte del líquido sometido directamente al calor se dilata más que el resto. Al dilatarse su volumen aumenta y esa porción del líquido se hace menos densa y asciende.

El espacio que deja es ocupado por otra poción del líquido más frio y menos liviano produciéndose una circulación permanente del agua.

Ocurre en líquidos y gases.

3.- RADIACIÓN:

Al quemar la leña podemos sentir el calor desprendido y esta transmisión de energía ocurre por radiación.

Nuestro cuerpo permanentemente intercambia calor con el ambiente mediante radiación a través del aire. El calor del sol también se propaga por radiación. Podemos “ asolearnos”

En el vació y en algunos gases el calor se transmite por radiación.

TEMPERATURA: es una medida de la energía cinética de las moléculas de un sistema

Si el sistema recibe calor, aumenta la velocidad de las moléculas

A mayor energía cinética mayor será la temperatura y viceversa

CALORIMETRÍA

Es la medición del flujo de calor, el instrumento que mide este flujo es el calorímetro.

CALOR ESPECIFICO Y CAPACIDAD CALORÍFICA

Cuando dejas una taza de té caliente sobre una mesa ¿qué esperas que suceda al cabo de unos minutos?

¿Y si dejas una bebida al sol?

¿ cuanta temperatura alcanzará la bebida al cabo de un tiempo especifico?, es decir, ¿cuánta energía absorberá?

La cantidad de energía que absorbe un cuerpo, depende de su capacidad calorífica ( C) definida como: cantidad de calor necesaria para elevar su temperatura en 1 K o 1 ºC.

Normalmente, la capacidad calorífica se expresa por mol o por gramo de sustancia. Cuando se expresa por gramo de sustancia se le denomina calor específico (s) y si se expresa por mol de sustancia, se denomina capacidad calorífica molar (C )

ENERGÍA INTERNA

Imagina que calientas agua en tu casa, ¿es lo mismo calentar 1 o 4 litros? ¿por qué crees que si o no?

Cuando se calienta agua, el aumento de la temperatura hace que las moléculas se trasladen de un punto a otro, roten y vibren con mayor intensidad. Por otro lado, con el aumento de la temperatura disminuyen las interacciones moleculares y, mientras mayor sea la masa de lo que se está calentando, se debe suministrar más energía, por lo tanto ¿ qué sucede con la energía del sistema?

La energía t0tal de un sistema es la suma de todas las energías cinéticas (Ec) y energías potenciales (Ep) de sus partes componentes y es conocida como energía interna del sistema (U), que corresponde a una función de estado.

PRINCIPIOS DE LA TERMODINÁMICA

Cuando quemamos madera, carbón o gas para obtener calor, este puede ser usado con diferentes fines. Por ejemplo, podría mover una turbina, que a su vez mueve un electroimán de un alternador, generándose así corriente eléctrica. Vemos aquí que la energía almacenada en el combustible se convierte en energía mecánica primero y luego en energía eléctrica.

La termodinámica se basa en dos principios fundamentales :

1.- La energía del Universo es constante

2.- El desorden del universo aumenta constantemente.

PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA

“La energía total del universo es constante, no se crea ni se destruye solo se transfiere entre un sistema cerrado y su entorno”

Esto corresponde al principio de conservación de la energía.

Para aplicar esta ley se determina lo siguiente:

Un sistema puede intercambiar energía con el ambiente que lo rodea, recibiendo o desprendiendo energía.

1.- Cuado un sistema absorbe o gana calor, el valor de éste es positivo y aumenta su energía interna (q mayor 0)

2.- Cuando el sistema libera calor, el valor de éste es negativo, disminuye su energía interna (q menor 0 )

Todo sistema termodinámico tiene energía interna y este se puede modificar de varias maneras, ya sea realizando un trabajo o transfiriendo energía en forma de calor.

- Aplicar calor : al calentar agua

- Trabajo mecánico: agitar una cantidad de agua

- Trabajo eléctrico: calentar agua con un sistema eléctrico ( encendedor del auto)

TERMOQUÍMICA Corresponde a las variaciones de energía en las reacciones

químicas. Generalmente en las reacciones químicas se produce

intercambio de energía en forma de calor que se mide a través de la entalpía.

ENTALPÍA: Se refiere al calor absorbido o liberado de un sistema. Es un medida del contenido calórico de una reacción La variación del entalpía corresponde a la entalpía final

menos la entalpía inicial. H = H f - H i

DIAGRAMAS ENTÁLPICOS

Es la forma de representar los cambios de entalpía de una reacción.

1.- Reacción endotérmica: son aquellas reacciones que absorben energía, se expresan:

R E + P Por lo tanto: H mayor 0

El gráfico se representa:

2.- Reacción exotérmica:

Son aquellas reacciones en que se libera calor, por lo tanto, la variación de la entalpía es menor que cero .

Se expresa R P + E

H meno 0

El gráfico se representa de la siguiente forma:

LEY DE ADITIVIDAD DE HESS

La variación de H que tiene lugar cuando las reacciones se transforman en productos es la misma, si loa reacción transcurre en una sola etapa como si ocurriera en varias etapas.

ESPONTANEIDAD QUIMICA

PROCESOS ESPONTANEOS:

La entalpía no es el único factor que gobierna el hecho de que se favorezca más a los reactivos o los productos de una reacción.. El signo del cambio de entalpía ( + o -) no basta para indicarnos si una reacción se llevará a cabo. Además se debe considerar el cambio de aleatoriedad o desorden que acompaña a una reacción química.

- El agua se coloca en un congelador se convierte en hielo

- Un clavo lustroso que se deja al aire libre termina por enmohecerse

- Al tocar un objeto caliente, se transmite calor al dedo

- En todos estos procesos se conserva la energía, (primera ley de la termodinámica) sin embargo se llevan acabo sin intervención externa, por lo que se dice que son espontáneos.

Un proceso espontáneo se lleva acabo en un sentido definido.Por ejemplo si se deja caer una taza sobre una superficie dura, se romperá al caer.

El que una taza caiga y se rompa es algo espontáneo.

PROCESOS REVERSIBLES E IRREVERSIBLES

1.- PROCESO REVERSIBLE:

Ejemplo: interconversión del hielo y el agua ( agua líquida- hielo)

En un proceso reversible, el cambio que sufre el sistema se efectúa de tal forma que se puede devolver el sistema a su estado original, invirtiendo el cambio.

2.- PROCESO IRREVERSIBLE:

Ejemplo:

-la carne en el fuego se quema, el humo del cigarro se difunde por el aire, un cadáver de cualquier animal se convierte en fósil.

El proceso irreversible es aquel que no se puede invertir simplemente para devolver el sistema y su entorno a su estado originas. Cuando un sistema cambia por un proceso irreversible, debe seguir un camino diferente para regresar a su estado original.

1.- Siempre que un sistema químico está en equilibrio, los reactivos y productos se interconvierten reversiblemente.

2.- En todo proceso espontáneo, el camino que va de reactivos a productos es irreversible.

ENTROPIA El desorden se expresa mediante una magnitud termodinámica llamada

entropía, cuyo símbolo es S.

Cuanto más desordenado es un sistema, tanto más grande s su entropía. Al igual que la energía interna y la entalpía, la entropía es ua función de estado.

El cambio de entropía de un sistema, S = S final- S inicial, depende solo de los estados inicial y final del sistema y no del camino específico por el que el sistema cambia.

El valor positivo de S indica que el estado final es más desordenado que el estado inicial.

El valor negativo de S indica que el estado final es más ordenado que el estado inicial.

Cuando algo esta ordenado, cada cosa esta ubicada en el lugar que le corresponde. Si entramos a una casa y vemos un vaso en el estante de la cocina decimos que estas ordenado ( esta en el lugar que el corresponde), pero si lo encontramos en el dormitorio la cosa cambia, más aún, no es lo mismo encontrarlo sobre el escritorio, sobre la cama o encima de la silla, o verlo en el suelo. En estos casos decimos que está desordenado ( no esta en el lugar que le corresponde).

SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA El estado final de los procesos espontáneos que ocurren en el Universo

siempre tiene una mayor entropía, es decir, mayor número de estados posibles que el estado inicial. Este principio se conoce como la Segunda Ley de la Termodinámica: hay una tendencia en el Universo a alcanzar un máximo de entropía (S), es decir, el máximo de desorden.