Termodinámica

Energía • Energía Radiante: (energía solar) Es la energía proveniente del sol.

Estimula el crecimiento vegetal, calienta la atmósfera y la superficie terrestre.

• Energía Térmica: Es la energía asociada con el movimiento aleatorio de los

átomos y las moléculas.

• Energía Cinética: Consiste en los diversos tipos de movimiento molecular y

el movimiento de los electrones dentro de las moléculas.

• Energía Potencial: Esta determinada por las fuerzas de atracción entre los

electrones y los núcleos de moléculas individuales, así como por la interacción entre

las moléculas.

Termoquímica

• Es el estudio de los cambios de calor en las reacciones químicas.

OJO: Nótese que calor y energía térmica no es lo mismo. El calor es “la

transferencia de energía térmica entre dos cuerpos que están a diferentes

temperaturas.”

Para medir esta transferencia se debe definir un sistema de interés, estos

pueden ser:

• Sistema Abierto: puede intercambiar masa y energía con sus alrededores.

• Sistema Cerrado: Permite transferencia de energía, pero no de masa.

• Sistema Aislado: Impide la transferencia de energía y de masa.

La primera ley de la Termodinámica

• Esta se basa en la conservación de la energía, establece que “la energía se

puede convertir de una forma u otra, pero no se puede crear ni destruir”.

En estos casos se hablará de energía interna (ΔE), que posee dos

componentes: energía cinética y energía potencial. Es imposible medir con

exactitud cuanto aporta cada una de ellas a la energía total de un sistema,

pero si se puede medir de forma experimental los cambios de energía.

ΔE = Ef – Ei

Para un sistema que tiene un cambio de energía, sea positivo o negativo, se

debe tener en consideración que la energía en los alrededores es la inversa.

ΔEsistema + ΔEalrededores = 0 (por la primera ley)

ΔEsistema = - ΔEalrededores

Convenio de signos para trabajo y calor

Trabajo realizado por el sistema sobre los alrededores -

Trabajo realizado sobre el sistema por los alrededores +

Calor absorbido por el sistema de los alrededores +

Calor absorbido por los alrededores del sistema -

Generalmente se trabaja con los cambios asociados a un

sistema y no a los alrededores. Por esto se puede omitir el subíndice

sist. Otra forma de escribir la primera ley es:

ΔE = q + w

Donde q es la suma de intercambio de calor entre el sistema y los

alrededores y w es el trabajo realizado sobre (o por el sistema).

Antes de seguir es necesario separar y definir las variables con las que

se trabajará.

Funciones de estado:“es una magnitud física macroscópica que caracteriza el estado

de un sistema en equilibrio, y que no depende de la forma en que el

sistema llegó a dicho estado”

Algunas variables de estado de un sistema en equilibrio son:

• la energía interna

• la presión

• la temperatura

• el volumen

• la entalpía

• la entropía

• la densidad

• la energía libre de Gibbs

Calorimetría• La calorimetría es el estudio de los cambios de calor, esta depende de los

conceptos de calor especifico y capacidad calórica.

• Calor especifico (s): es la cantidad de calor que se requiere para elevar

un grado Celcius la temperatura de un gramo de la sustancia. Sus unidades

de medida son J/g°C.

• Capacidad calórica (C): es la cantidad de calor que se requiere para

elevar un grado Celcius la temperatura de determinada cantidad de la

sustancia. Sus unidades son J/°C.

C = ms

Donde m es la masa de la sustancia en gramos.

Ejemplo:

El calor especifico del agua es de 4,184 J/g°C. Cual la capacidad

calorífica de 60,0g de agua?

C = m · s

C = 60,0 g · 4,184 J/g°C

C = 251 J/°C

Es decir necesito 251 Joules para que 60 g de agua suban

en 1°C.

1.- Una muestra de 466 g de agua se calienta desde 8,50°C hasta

74,60°C. Calcule la cantidad de calor (en kilojoules) absorbido por el

agua.

2.- Una barra de hierro cuya masa es de 869 g se enfría de 94 a 5°C.

Calcula la cantidad de calor liberada (en kilojoules) por el metal.

Ejercicios:

Entalpía (ΔH)

Es una magnitud termodinámica, simbolizada con la letra H mayúscula, cuya

variación expresa una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un

sistema termodinámico, es decir, la cantidad de energía que un sistema intercambia

con su entorno.

Se deben tener en consideración los siguientes aspectos:

1.- cuando se escriben ecuaciones termoquímicas se deben especificar

siempre los estados físicos de todos los reactivos y productos debido a que

permite calcular los cambios reales de entalpía.

2.- Si se multiplican ambos lados de una ecuación termoquímica por un factor

n, entonces ΔH también debe cambiar por dicho factor.

3.- Cuando se invierte una reacción se cambian los papeles de los reactivos y

los productos. ΔH se mantiene con igual magnitud pero con el signo contrario

ΔH°formación (kJ/mol)

-364

-286

-92

-814

Ley de Hess

Muchos compuestos no se pueden sintetizar directamente a partir de

sus elementos, algunos de ellos ocurren de forma muy lenta o se producen

reacciones secundarias que producen otras sustancias. En estos casos el

ΔH°rxn se determina por medio de un proceso indirecto, que se basa en la Ley

de Hess. Esta enuncia “cuando los reactivos se convierten en productos el

cambio de entalpía es el mismo independientemente de que se efectúe la

reacción en un paso o en una serie de ellos”.

Es decir, es posible separar la reacción de interés en una

serie de reacciones para las cuales se conozcan los valores

de ΔH°rxn y de esta manera calcular el valor de ΔH°rxntotal.

Esto es se debe a que la entalpía es una función de estado.

La regla general para aplicar la Ley de Hess es que se debe

acomodar una serie de reacciones químicas (correspondientes a la

serie de etapas) de tal manera que, cuando se sumen se cancelen

todas las especies excepto los reactivos y los productos que aparecen

en la reacción global. Para lograr esto con frecuencia se tiene que

multiplicar alguna o todas las ecuaciones que representan las etapas

individuales por los coeficientes apropiados.