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1 ¿Cómo se manifiesta la energía interna a escala atómica y molecular?

Grado 11 Tema

Ciencias naturalesUnidad 4¿ Cómo se relacionan los componentes del mundo?

¿Cómo se manifiesta la energía interna a escala atómica y molecular?

Máquinas térmicas

Lee con atención la siguiente información y contesta las preguntas planteadas.

El primer registro de un artefacto accionado por el poder del vapor corresponde a un invento del físico y matemático griego Herón de Alejandría. Hace unos 2000 años él construyó una esfera metálica con dos boquillas opuestas, cuando se introducía vapor en la bola esta daba vueltas. Herón expuso su invento en el ceratium un museo de Atenas donde entretuvo a los visitantes durante años, aunque solo fue considerado un juguete interesante.

El momento en que la máquina de vapor entra en la historia de la humanidad es cuando marca el comienzo de la Revolución Industrial. Gracias a esta máquina, se redujo el uso de fuentes primarias de energía como el viento, el agua y el músculo animal y humano para llevar a cabo diversas actividades comerciales. Las primeras máquinas de vapor se usaron para impulsar máquinas de fábricas, trenes, carros y tractores. La máquina de vapor es un motor de combustión externa en el cual un émboloes accionado por acción de la entrada de vapor por cada uno de sus extremos. El vapor se genera en una caldera en un recipiente metálico donde se calienta agua usando madera, carbón, aceite o gas natural como combustible.

A principios del siglo XXVIII, en 1705, dos ingenieros británicos Thomas Savery y Thomas Newcomen crearon una máquina de vapor que podía utilizarse para bombear el agua de las minas de carbón inundadas,empleaba un émbolo que subía y bajaba dentro de un cilindro hueco.

2 ¿Cómo se manifiesta la energía interna a escala atómica y molecular?

Resuelve:

1. ¿Cómo crees que es el funcionamiento de una máquina de vapor? Explícalo mediante un dibujo

En la década de 1760 James Watt desarrolló la máquina de vapor más famosa del siglo XVIII. Watt era un profesor de la universidad de Glasgow que aportó varias mejoras haciéndola mucho más práctica para mover maquinaria, su regulador centrifugo de bolas se expandía a medida que el motor iba más rápido la fuerzas centrifuga hacia que las pesadas bolas metálicas se separaran cerrando una válvula que lo desaceleraba y a medida que se expandía controlaban el movimiento del vapor en el cilindro, en 1800 más de 1500 máquinas de vapor funcionaban en Europa y Estados Unidos, además de bombear el agua de las minas también impulsaban las máquinas de las fábricas.

Hoy en día, las máquinas de vapor que reinaban en el siglo XVIII, el XIX y a inicios del XX solo las podemos ver en los museos, pero una forma mejorada de esta, la turbina de vapor, es lo que encontramos en la mayoría de las centrales eléctricas del mundo. La turbina de vapor es como un molino, con la diferencia que sus aspas son movidas por vapor de alta presión en vez de viento.

3 ¿Cómo se manifiesta la energía interna a escala atómica y molecular?

2. Recuerdas las aplicaciones que se le daban a la máquina de vapor. ¿Descríbelas?

3. Recuerdas el nombre de la persona que inventó la máquina de vapor, escríbelo y comenta la aplicación que le dio.

4 ¿Cómo se manifiesta la energía interna a escala atómica y molecular?

Actividad 1: Primera ley de la termodinámica

» Explicar los principios teóricos y prácticos de la teoría de la termodinámica

4. Explica cuáles fueron los avances que sufrió la máquina de vapor.

Lee con atención la siguiente información

Un señor está tratando de prender fuego mediante la fricción como se ilustra en la siguiente imagen

5 ¿Cómo se manifiesta la energía interna a escala atómica y molecular?

¿Por qué se produce calor al friccionar dos objetos como se muestra en la imagen?

Se logra mediante la conservación de la energía. La conservación de energía, constituye la primera ley de la termodinámica, en donde afirma que la energía no puede crearse ni destruirse, solo cambia de una forma a otra. En la imagen, actúa una energía mecánica (La energía mecánica es la suma de la energía cinética y energía potencial) que se ve, en el movimiento del señor. Esta se transforma en otra energía, que no se ve y que adquieren los átomos y moléculas al moverse, llamada energía térmica y se manifiesta en forma de calor. Logrando así un proceso de transformación y conservación de la energía.

La transformación de energía le permite al hombre utilizar la energía que lo rodea; así, busca diversas fuentes de energía, renovables o no, y las transforma según sus necesidades. La transformación de energía le permite al hombre, por ejemplo, utilizar una fuente de energía eólica, renovable, para generar electricidad, que se transforma en calor a través de una estufa eléctrica¿Cómo sabemos que la energía se puede convertir de una forma a otra, pero no se puede crear ni destruir?

Sería imposible la validez de la primera ley de la termodinámica si tuviéramos que determinar el contenido total de energía del universo, inclusive, sería muy difícil determinar el contenido total de energía de 1gr de hierro. Por fortuna, podemos demostrar la validez de la primera ley midiendo solo el cambio de la energía interna de un sistema cerrado entre su estado inicial y su estado final. El cambio de la energía interna Δ∆E está dado por:Δ

Donde Ei y Ef representan la energía interna inicial y final del sistema.

En nuestra vida cotidiana se evidencian dos formas de experimentar los cambios de energía, en forma de calor y trabajo. Entonces, la energía interna de un sistema puede aumentarse o disminuir de varias maneras, vamos a describir algunas.

Añadiéndole o quitándole calor (q). Si Ei es la energía interna inicial y Ef es la energía interna final, el incremento está dado por Δ∆E es igual a q

Δ

La segunda manera es produciendo un trabajo sobre el entorno(o sobre el sistema por parte del entorno). Si es un sistema ni gana, ni pierde calor (q =0), pero realiza un trabajo (w) sobre el entorno, entonces pierde energía en cantidad w:

Si un sistema absorbe calor del entorno y simultáneamente realiza un trabajo sobre él, entonces el cambio de energía interna es

Δ

∆E = Ef – Ei

Ef– Ei = ∆E = q

Ef – Ei = Δ∆E = -w

Ef – Ei = Δ∆E = q – w

6 ¿Cómo se manifiesta la energía interna a escala atómica y molecular?

¿Cuáles son los componentes de la energía interna del sistema?

Energía cinética y energía potencial. El componente de energía cinética consiste en los diversos tipos de movimiento molecular y en el movimiento de los electrones dentro de las moléculas. La energía potencial está determinada por las fuerzas de atracción de los electrones y los núcleos, por las fuerzas de repulsión que los electrones y entre los núcleos de moléculas individuales por la interacción entre las moléculas

Aunque no conocemos el contenido de energía interna de las moléculas, podemos medir con exactitud el cambio en el contenido de energía ∆E

Ejemplo: Si un sistema absorbe 350 J y produce un trabajo de 200 J sobre el entorno ¿calcula su energía interna?

Soluciona el siguiente cuestionario de acuerdo a tus conocimientos adquiridos..

1. Completa la siguiente tabla

w= 200 J

q= 350 J

Se sabe que al sistema ingresa calor (+q) y que luego lo disipa en forma de trabajo (-w), Luego

Calorífica

Cinética

Química

Química Motor de gasolina

Calorífica

Lupa

Caìda de cuerpo

Energia Inicial

Energia Final

Aparato o Mecanismo involucrado

∆E = q – w = 350 J – 200 J = 150 J

∆E = 150 J

7 ¿Cómo se manifiesta la energía interna a escala atómica y molecular?

2. Traza una línea relacionando la columna a con la columna b como indica el ejemplo.

Energía eléctrica a calorífica

Energía eléctrica a lumínica

Ene∆rgía química a mecánica

Energía eléctrica a mecánica

Energía química a eléctrica

Energía mecánica a calorífica

8 ¿Cómo se manifiesta la energía interna a escala atómica y molecular?

4. ¿Sobre un sistema actúa un trabajo de 50 ergios, lo cual induce al sistema a emitir 150 ergios. Encuentra la energía interna de dicho sistema.

5. ¿Será posible recuperar el etanol después del proceso de la combustión?

6. ¿Qué crees que representa la energía cinética y potencial dentro de la energía interna?

9 ¿Cómo se manifiesta la energía interna a escala atómica y molecular?

Lee con atención el siguiente texto y luego realiza el cuestionario

Actividad 2: Procesos termodinámicos y mezcla de gases

Cuando pones al fuego agua para preparar café, té o una sopa o cualquier cosa que se te ocurra. Llega un momento en que empieza a hervir o a ebullir a una determinada temperatura. ¿Si yo le subo la intensidad de la llama a la estufa, después de que haya hervido o ebullido el agua, la temperatura de esta aumenta?

No, la temperatura no aumenta por más que le suministre calor.

Y cuando la temperatura de un sistema es constante, estamos hablando de un proceso de la termodinámica llamado proceso Isotérmico

Un proceso isotérmico, es un proceso en donde el cambio de temperatura en el sistema es reversible, siendo dicho cambio de temperatura constante en todo el sistema. La compresión o expansión de un gas ideal en contacto permanente con un termostato es un ejemplo de proceso isotermo, y puede llevarse a cabo colocando el gas en contacto térmico con otro sistema de capacidad calorífica muy grande y a la misma temperatura que el gas; este otro sistema se conoce como foco caliente. De esta manera, el calor se transfiere muy lentamente, permitiendo que el gas se expanda realizando trabajo. Como la energía interna de un gas ideal sólo depende de la temperatura y ésta permanece constante en la expansión isoterma, el calor tomado del foco es igual al trabajo realizado por el gas:

Q = W

Una curva isoterma (figura 1) es una línea que sobre un diagrama representa los valores sucesivos de las diversas variables de un sistema en un proceso isotermo: Las isotermas de un gas ideal en un diagrama p – V , llamado diagrama De Clapeyron, son hipérbolas equiláteras, cuya ecuación es p.V = contante

P1

2

V

(Figura 1) Curva isoterma.

Vas a cocinar unos frijoles deliciosos, para ello necesitas la olla presión. A esta se le agrega los frijoles, el adobo y el agua, tapas la olla y esperas un tiempo a que pite. Entonces ¿Cómo será el comportamiento del volumen en la olla presión en el momento en que tapas la olla y la pones al fuego hasta cuando realiza su primer pitazo es decir su primera escapada del aire?

10 ¿Cómo se manifiesta la energía interna a escala atómica y molecular?

¿Cómo será el comportamiento de la presión cuando entra en funcionamiento la válvula de escape en la olla a presión?

La presión permanece constante durante la utilización de la válvula en la olla presión Y cuando la presión de un sistema es constante, estamos hablando de un proceso de la termoquímica llamado proceso Isobárico

Otro ejemplo es la ebullición del agua en un recipiente abierto. Como el contenedor está abierto, el proceso se efectúa a presión atmosférica constante. En un diagrama P-V, un proceso isobárico aparece como una línea horizontal. Si la presión no cambia este proceso ocurre a presión constante. La Primera Ley de la Termodinámica, para este caso, queda expresada como sigue:

∆E = Q - P Δ∆V,Dónde:Q = Calor transferido.∆E= Energía interna.P = Presión.∆V = Volumen.

El volumen permanece constante durante ese momento porque no hay escape del agua a sus alrededores Y cuando el volumen de un sistema es constante, estamos hablando de un proceso de la termoquímica llamado proceso Isocórico

Proceso isométrico o Isocórico: durante este proceso el volumen es constante, el gas absorbe una cantidad de calor, aumentando por ende su temperatura hasta un valor final o en caso contrario; un gas se enfría desde una temperatura inicial hasta una temperatura final manteniendo su volumen constante y disipando una cantidad de calor (figura 2).

Un proceso que se efectúa a volumen constante sin que haya ningún desplazamiento, el trabajo hecho por el sistema es cero, entonces se cumple w =0 y Δ∆E = Q

P B

T

TA

VV (m³)

p (P

a

a

PAA

B

)

(Figura 2) Isocórico

(Figura 3) Primera ley de la termodinámica

11 ¿Cómo se manifiesta la energía interna a escala atómica y molecular?

Considera estas imágenes:

¿En qué te hace pensar cada una de ellas? Si pensaste en una mezcla de gases como el aire y el gas natural, estas súper bien. Entonces si la mayoría de gases que conocemos se encuentran mezclados ¿Será que es difícil o fácil mezclar dos gases bajo las condiciones mínimas? ¿Cómoserá la presión de estos dos gases mezclados?

Los gases tienen las partículas muy desunidas y separadas entre sí por lo que no tienen inconveniente en moverse entre las partículas de otro gas. Dos o más gases siempre se mezclan bien. Es por esto que en la naturaleza se encuentran muchas mezclas de gases.

Cada gas ideal (figura 4) componente de la mezcla, no interacciona o reacciona químicamente unos con otros. La determinación de las propiedades de la mezcla gaseosa, se estiman a partir de las propiedades físicas y químicas de los componentes individuales puros. En una mezcla de gases, la presión total ejercida por los mismos es la suma de las presiones que cada gas ejercería si estuviese solo en las mismas condiciones

12 ¿Cómo se manifiesta la energía interna a escala atómica y molecular?

Cuestionario

¡Vamos! Anímate y escribe al frente de cada gráfica, fórmula o imagen el proceso termodinámico al cual pertenecen.

(Figuras 4) Mezclas de gases

13 ¿Cómo se manifiesta la energía interna a escala atómica y molecular?

10

200

15

10

202

00

15

14 ¿Cómo se manifiesta la energía interna a escala atómica y molecular?

2. ¡Como sabes! la presión de una mezcla de gases es la suma de las presiones individuales de cada gas. Imagínate dos gases como el nitrógeno y helio gaseoso entrando a un recipiente de 2L a una temperatura de 27°C uno con 0,5 y el otro con 0,3 moles respectivamente. Podrías calcular la presión dentro del recipiente que contiene a estos gases

3. Si entendiste el comportamiento de la presión cuando se mezclan dos gases. Podrías decir como es el comportamiento del volumen final de la mezcla.

15 ¿Cómo se manifiesta la energía interna a escala atómica y molecular?

Forma grupos y dibuja un gráfico p-v de cualquiera de los tres procesos y los otros grupos van a adivinar a que proceso termodinámico pertenece la gráfica

16 ¿Cómo se manifiesta la energía interna a escala atómica y molecular?

Mcmurry McMurry, J., Química Orgánica, 5ª. Edición, México, Ed. International Thomson Editores, S.A. de C.V., 2001.

Armando Pedrozo Julio. Exploremos la química 11, Prentice Hall

Lista de referencias

Si ya diferencias y entiendes los procesos termodinámicos, ahora consigue una aplicación para cada uno de ellos, recuerda que son tres:

a. Proceso isotérmico

b. Proceso isobárico

c. Proceso Isocórico

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