termodinÁmica unidad 2

Presentación de PowerPointTermodinámica
Tema 1:
Primera Ley de la Termodinámica en procesos isotérmicos (T=cte)
Unidad 2: Primera Ley de la Termodinámica
CIENCIAS DE LA SALUD, BIOLÓGICAS Y AMBIENTALES
Unidad 2
Introducción 1ª Ley de la Termodinámica
La ley de la conservación de la energía constituye el primer principio de la termodinámica y establece que la energía no se crea, ni se destruye solo se transforma. Como consecuencia de ello, un aumento del contenido de energía de un sistema, requiere de una correspondiente disminución en el contenido de energía de algún otro sistema.
Hay que tener en cuenta, que debido a que la energía puede cambiar de una forma a otra, una forma de energía perdida por un sistema puede haberla ganado otro en una forma diferente.
A continuación definiremos varios conceptos básicos antes de entrar a la definición de la primera ley de la termodinámica.
Unidad 2
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Trabajo (W)
El trabajo (W) es la cantidad de energía transferida de un sistema a otro mediante una fuerza cuando se produce un desplazamiento. Vamos a particularizar la expresión general del trabajo para un sistema termodinámico concreto: un gas encerrado en un recipiente por un pistón, que puede moverse sin rozamiento.
Existen dos tipos de trabajo indispensable en termodinámica
Proceso Reversible
Proceso Irreversible
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1) Trabajo irreversible (Presión constante)
Se define al trabajo irreversible o expansión al trabajo hecho cuando un sistema se expande contra una presión.
Un sistema se expande a través de la diferencia de volumen contra un presión externa constante.
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2) Trabajo Reversible (Proceso Isotérmico)
Si la presión externa no es constante, pero el proceso es reversible, el sistema varia diferente forma para estar en estado de equilibrio. Es necesario conocer la ecuación de gases ideales para resolver la ecuación
Debido a que es un trabajo reversible se utiliza la ley de gas ideal
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Ejemplo 1:
El proceso de exhalación de aire desde los pulmones se considera un trabajo irreversible debido a que el aire debe ser empujado desde los pulmones contra la presión atmosférica. Calcula el trabajo de exhalar 0.5 m3 de aire hacia un tubo de aire contra la presión atmosférica (P= 1 atm).
Se utiliza la ecuación W=-Pext (V2-V1) debido a que exhalar es un proceso irreversible.
Sustituyendo:
Resultado:
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Ejemplo 2:
La presencia del nitrógeno en el aire es un elemento principal para la síntesis de proteínas en los seres vivos. Se sabe que las plantas no pueden tomar el nitrógeno del aire directamente, porque es una molécula muy estable. Por lo cual se toma 1 mol de N2 a una temperatura de 27°C, se calienta y se deja expandir reversiblemente a presión constante en un frasco desde 200 ml hasta un volumen de 327 ml. Calcular el trabajo hecho por el nitrógeno en esta expansión.
Se utiliza la ecuación W=-reversible debido a que el gas se expande reversiblemente y la temperatura es constante
Sustituyendo:
Resultado:
El trabajo de hecho por el gas en la expansión es -1226.82 J
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Calor (Q)
El calor (representado con la letra Q) es la energía transferida de un sistema a otro (o de un sistema a sus alrededores) debido en general a una diferencia de temperatura entre ellos. El calor que absorbe o cede un sistema termodinámico depende normalmente del tipo de transformación que ha experimentado dicho sistema.
Existen dos tipos de trabajo indispensable en termodinámica
Proceso Irreversible
Proceso Reversible
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Energía Cinética
Es la energía que posee un sistema como resultado de su movimiento en relación con cierto marco de referencia . Se llama energía cinética
Energía Potencial:
La energía que posee un sistema como resultado de us incremento de altura en un campo gravitacional se llama energía potencial y se denomina asi:
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Ejemplo 3:
Los nutrientes en la tierra son absorbidos por un sistema de raíces de un árbol y después se elevan para alcanzar las hojas a través de un complejo sistema vascular en su tronco y sus ramas. ¿Cuál será la energía requerida para incrementar 10g de agua liquida a través de un tronco de unos 20m desde la raíz hasta sus hojas?
Se calcula la energía potencial debido a que tenemos los datos de m,z para el calculo
Sustituyendo:
Como solo se da los datos para obtener Ep entonces Ec y U son cero
Resultado:
La energía necesaria para incrementar el agua es E=1.962 J
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Energía Interna (U)
El calor y energía son formas equivalentes de transferencia de energía adentro o fuera de un sistema- La evidencia experimental para la equivalencia de calor y trabajo va por los experimentos hechos por James Joule.
Para el entendimiento de como los procesos biológicos pueden almacenar y liberar energía, necesitamos describir una ley muy importante que relacionan trabajo y energía a cambios en la energía de todos los constituyentes de un sistema.
Se usa el termino U debido a que es el cambio d energía por perdida o ganancia de trabajo o calor encontraste de U que representa en forma general la energía total incluyendo Energía cinética y potencial
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Q: La energía perdida o transferida en forma de calor
W: La energía perdida o transferida.
Forma de utilizar los signos para el calculo de la energía interna
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Ejemplo 4:
Unos nutricionistas están interesados en el uso de energía en el cuerpo humano, podemos considerar que nuestro cuerpo como un sistema termodinámico. Suponer que en el curso del experimento se realiza 622 KJ de trabajo en una bicicleta y pierdes 82 KJ de calor. ¿Cual es el cambio de energía Interna en el cuerpo?
Como se pierde calor entonces el signo es negativo
Como se realiza enegia en el sistema, se gasta energía por lo que el signo es negativo
Para el calculo del cambio de energía interna se utiliza
Sustituyendo
Resultado:
El cambio de energía interna es -705 KJ, como es negativo significa que la energía interna cae, la cual se restaurara comiendo
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Ejemplo 5:
Tres moles de gas ideal se expanden isotérmicamente contra una presión constante de oposición de 1 atm desde 20 hasta 60 litros. Calcular, W, Q, E y H.
El problema dice se expande isotérmicamente y no menciona que se un proceso reversible por lo cual es un proceso irreversible
a) W
b) Q
c) U
d) H en procesos isotérmicos es 0.
Para entender el origen molecular de energía se empezara a estudiar la conservación de energía biológica a través de las propiedades termoquímicas de los combustibles químicos.
Tema 2:
Primera Ley de la Termodinámica en procesos isobáricos (V=cte) e Isocoricos (P=cte)
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Entalpia (H)
Muchos procesos biológicos toman lugar en sistemas que están abiertos al ambiente y sujetos a presión y volumen constante, por eso necesitamos aprender cuantitativamente la energía intercambiada que toma lugar por calentamiento a presión constante.
Para procesos a presión constante, se introduce una nueva propiedad que será el centro de atención denominada entalpia (H) de un sistema, que esta definido por:
Un cambio de entalóa surge del cambo en la energía interna y un cambio en el producto pV:
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Entalpia (H)
Aunque la entalpia y la energía interna tienen mismos valores. La introducción de la entalpia tiene muy importantes consecuencias en la termodinámica.
H es definido en términos de U, p, V
H, es definido cuando un sistema cambia de un estado a otro y es independiente del camino entre dos estados
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Como
Reacomodando la ecuación para encontrar H
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Entalpia para procesos isocoricos (V=cte)
La expresión de la primera Ley Termodinámica para un proceso isocorico es:
Para procesos isocoricos como el volumen no se mantiene constante entonces W=0
Como la expresión general de la primera ley es U=W+Q pero en este proceso W=0 entonces:
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Calor especifico (C)
Cuando una sustancia es calentada, la temperatura se incrementa. Mientras para una especifica energía (q), el tamaño del cambio resultante de temperatura T depende de la capacidad calorífica de la sustancia.
Energía transferida como calor
Cambio de temperatura
Si la propiedad de la capacidad calorífica depende de la masas de la sustancia entonces tenemos la capacidad calorífica especifica (Cm). Donde el calor es dividido por la masa de la muestra entonces Cm=C/m.
La capacidad calorífica es dada por de diferentes formas dependiendo el proceso en que actúa:
Para procesos isobáricos (P= cte)
Como explicado antes Q=U=H
El calculo de Cp es:
Para procesos isocoricos (V= cte)
Como explicado antes Q=U=H
El calculo de Cv es:
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Ejemplo 6:
Calcula el cambio de entalpia de 100 g de agua liquida que se incrementa de 20°C a 80°C a presión constante y volumen constante. (La capacidad calorífica puede ser obtenida a partir de tablas ya con valores dados)
El valor de Cp del agua liquida se obtiene del anexo 5
Sustituyendo:
Cp= 75.291 J/Kmol
a) Para encontrar el cambio de entalpia a presión constante es:
Como Q= roceso isobarico
b) Para encontrar el cambio de entalpia a volumen constante es:
Despejando
Sustituyendo:
Ejemplo 6:
|
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W: En procesos = 0.
Tema 3:
Para entender el origen molecular de energía se empezara a estudiar la conservación e energía biológica a través de las propiedades termoquímicas de los combustibles químicos.
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Entalpia estándar de formación y reacción
Para hacer progreso en el estudio de bioenergía, necesitamos desarrollar métodos para predecir las entalpias de reacciones de complejas reacciones bioquímicas.
Donde:
∑= Sumatoria
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Ejemplo 7:
La glucosa y la fructosa son simples carbohidratos con una formula molecular C6H12O6 (Sacarosa). La sacarosa es un carbohidrato complejo con formula molecular C12H22O11 que consiste de una unidad glucosa ligada a una unidad fructosa. Dada la reacción química, estime la entalpia estándar de reacción a partir de las entalpias de formación de reactantes y productos.
Ecuación química:
Los datos de la entalpia estándar de formación se obtienen del anexo 5
CO2 (g)
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Ejemplo 7:
continuación del problema:
Dadas los valores de las entalpias estándar de formación de cada sustancia
Se obtiene la entalpia estándar de reacción por:
Sustitución:
Coeficientes
Productos
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Necesitamos saber como predecir las entalpias de reacción de reacciones bioquímicas a diferentes temperaturas. Para es utilizamos la ley de Kirchhoff.
Ley de Kirchhoff (Ecuaciones)
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Ejemplo 8:
La enzima glutamina se sintetiza mediante la reacción del amino acido glutamina (Gln, 10) (amino acid glutamine) del amino acido glutamico (Glu,9) (amino acid glutamic) y el ion amonio. Sabiendo que H°r = 21.8 KJ/mol a 25°C. El proceso es endotérmico y requiere energía extraída de la oxidación de combustibles biológicos. Estime el valor de la entalpia a 60°C con la siguiente información.
Ecuación química:
Los datos de la entalpia estándar de formación se obtienen del anexo 5
Amino acido Glutamina (Gln 10)
146.15
-826.4
-532.6
195.0
184.2
-2570
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Ejemplo 8:
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Ejemplo 8:
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Ejemplo 9:
En células biológicas se tiene un exceso de O2, lo que provoca que la glucosa (β -D glucose) se oxide. Las células pueden ser privados de oxigeno durante el ejercicio vigoroso, una molécula de glucosa se convierte a dos moléculas de acido láctico por el proceso de glucolisis. Dando la siguiente ecuación termoquímica determina a través de las entalpias estándar de combustión la entalpia estándar de reacción por ley de Hess.
Ecuación química:
Ejemplo 9:
a) Calculo de H°r a partir de H°C
Ley de Hess

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