Unidad 1: TermodinámicaPROFESORA ÁNGELA GAJARDO S.

QUÍMICA I I I COMÚN

ABRIL 2016

Contenidos de la unidad:1. Química y termodinámica:

1.1 Sistemas termodinámicos

1.2 Variables termodinámicas

1.3 Funciones de estado

2. Energía, trabajo y calor

3. Primer principio de la termodinámica:

3.1 Entalpía

3.2 Ecuaciones termoquímicas

4. Energía de enlace

5. Entalpía estándar:

5.1 Entalpía de formación

5.2 Entalpía estándar de reacción

5.3 Entalpía estándar de combustión

6. Ley de Hess

Contenidos de la unidad:7. Segundo principio de la termodinámica:

7.1 Máquinas térmicas

7.2 Ciclo de Carnot

7.3 Espontaneidad de las reacciones químicas

7.4 Entropía

7.5 Aplicación del segundo principio de la termodinámica

7.6 Entropía estándar de reacción

8. Energía libre de Gibbs:

8.1 Variación de la entalpía libre y espontaneidad

1. Química y Termodinámica.

TERMODINÁMICA: Estudio de las relaciones que se producen entre el calor y otras formas de energía.

REACCIONES QUÍMICASTransformación de sustancias

Liberación o absorción de energía

TERMOQUÍMICA

es parte de la

1. Química y Termodinámica1.1 Sistemas Termodinámicos

SISTEMA TERMODINÁMICO: Es una parte de la materia que se aísla, mediante límites reales o ficticios, para su estudio.

ENTORNO: Todo lo que rodea al sistema, pudiendo o no relacionarse con él.

UNIVERSO: Sistema + Entono.

Límite ficticio Límite real

1. Química y Termodinámica1.1 Sistemas Termodinámicos

ENERGÍAMATERIA

ENERGÍAMATERIAENTORNO

ENERGÍA

ENERGÍAENTORNO

(SISTEMA IDEAL)

1. Química y Termodinámica.1.2. Variables Termodinámicas.

VARIABLES DE ESTADO: Serie de magnitudes macroscópicas observables y medibles que permiten describir el estado de un sistema termodinámico.

Ejemplos: Presión, volumen, temperatura, masa, número de moles.

Las variables de estado permiten que cualquiera pueda reconstruir las condiciones exactas de un sistema.

VARIABLES EXTENSIVAS: Dependen de la cantidad de materia, y

su valor no se puede definir en cualquier parte del sistema.Ej.: masa, volumen y calor.

VARIABLES INTENSIVAS: Son independientes de la cantidad de

materia y su valor se puede determinar en cualquier punto del

sistema.Ej.: densidad, temperatura y presión.

1. Química y Termodinámica.1.3. Funciones de Estado.FUNCIONES DE ESTADO: Son magnitudes termodinámicas, con un valor definido y único para cada estado del sistema, sin importar los pasos que se siguen para alcanzarlo. Sólo dependen del estado inicial y final del sistema.

Las funciones de estado se relacionan entre sí mediante la ECUACIÓN DE ESTADO.

PxV=nxRxT

Ecuación de estado

para un gas ideal

1. Química y Termodinámica.1.3. Funciones de Estado.

Un sistema se encuentra en EQUILIBRIO cuando las variables de estado se mantienen constantes en el tiempo.

En una reacción química, el sistema alcanzará el equilibrio cuando el volumen, la temperatura, la presión y composición no varían en el tiempo.

2. Energía, Trabajo y CalorCONCEPTOS FUNDAMENTALES DE LA TERMODINÁMICA:

ENERGÍA: Capacidad de un sistema para producir un trabajo.

Cualquier sistema químico, a presión y temperatura determinada, posee una cantidad de energía almacenada en su interior debido a su composición ENERGÍA INTERNA al aumentar e calor, aumenta la energía interna del sistema.

La energía interna (U) es una propiedad característica del estado en que se encuentra un sistema químico, y equivale a la totalidad de la energía cinética y potencial de las partículas que lo constituyen.

Es una función de estado, porque solo depende del estado inicial y final del sistema, y es una variable extensiva, ya que depende de la masa del sistema.

2. Energía, Trabajo y Calor

Cuando ocurre una transformación en un sistema, la cantidad de energía existente varía.

Esta variación se produce por el intercambio entre el sistema y el entorno, y puede ocurrir en forma de CALOR (Q) o TRABAJO (W).

SISTEMA I (INICIAL)

SISTEMA I (FINAL)

TRABAJO

CALOR

ENTORNOVARIACIÓN

ENERGÍA DEL

SISTEMA

2. Energía, Trabajo y Calor

CALOR (Q): Transferencia de energía que se produce de un sistema a otro como consecuencia de una diferencia de temperatura.

El calor fluye desde el cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura hasta que ambos se igualan, es decir, llegan al equilibrio térmico.

El calor no es una función de estado, ya que no es una propiedad del sistema, sino que dependerá de la forma en que se realice el proceso, es decir, de cómo el sistema pasa del estado inicial al final.

CALOR ENERGÍA QUE SE TRANSFIERE DE UN SISTEMA A OTRO.TEMPERATURA MEDIDA DE LA ENERGÍA CINÉTICA DE LAS MOLÉCULAS DE UN SISTEMA.

MAYOR MENOR

IGUALES

2. Energía, Trabajo y CalorTRABAJO (W): Al igual que el calor, es un mecanismo de transferencia de energía. La energía se intercambia mediante un dispositivo mecánico entre el sistema y su entorno.

Matemáticamente, se define como el producto de la fuerza (F) aplicada sobre un cuerpo y la distancia (d) que este recorre.

W= F x d

El trabajo, al igual que el calor, no es una funciónde estado, pues depende del camino recorrido, esdecir, de la forma en que se realizará latransformación termodinámica.

Gas encerrado en un recipiente puede ejercer trabajo sobre el entorno expansión.

2. Energía, Trabajo y Calor

Para señala el sentido del intercambio que se produce en un sistema, se han determinado los siguientes criterios:• Cuando el sistema realiza un trabajo contra las fuerzas

exteriores, el valor del trabajo tiene signo negativo (-), y disminuye su energía interna (W<0).

• Cuando el trabajo es realizado por las fuerzas exteriores sobre el sistema, el valor es positivo (+), y aumenta su energía interna (W>0).

• Si el sistema libera calor, el valor es negativo (-), y disminuye la energía interna (Q<0).

• Si el sistema absorbe calor, el valor es positivo (+), y aumenta la energía interna (Q>0).

3. Primer Principio de la Termodinámica.

PRINCIPIOS DE LA TERMODINÁMICA

LA ENERGÍA DEL UNIVERSO ES CONSTANTE

EL DESORDEN DEL UNIVERSO AUMENTA CONSTANTEMENTE

PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA: Se basa en el principio de la conservación de la energía, el cual establece que la energía en el universo permanece constante.

Por lo tanto, la energía solo se transfiere entre un sistema y su entorno.

ΔU=ΔUsistema + ΔUentorno ΔU=0

3. Primer Principio de la Termodinámica.

Cuando un sistema cerrado absorbe calor (Q), una parte de este se utiliza para realizar un trabajo: expandir el gas para mover un émbolo; el resto se almacena como energía interna.

Si este racionamiento se expresa matemáticamente utilizando el criterio de signos, se llega a la ecuación:

Q = ΔU - W (donde ΔU es la variación de la energía interna entre el

estado inicial y final).

ΔU = Q + W (como variación de la energía interna de un sistema)

3. Primer Principio de la Termodinámica.EJERCICIO RESUELTO: Calcular la variación de energía interna para un sistema que ha absorbido 2.990 J y realiza un trabajo de 4.000 J sobre su entorno.

Según el convenio de signos: Q = 2.990 J (CALOR) y W = -4.000 J (TRABAJO)

Se aplica la expresión matemática para el primer principio de la termodinámica:

ΔU = Q + W

ΔU = 2.990 J + (-4.000 J)

ΔU = -1.010 J

R: El sistema ha disminuido su energía interna en 1.010 J.

3. Primer Principio de la Termodinámica.3.1 Entalpía

ENTALPÍA (H): Describe los cambios térmicos que se llevan a cabo a presión constante. Esta se calcula a partir del primer principio de la termodinámica (ΔU = Q + W).

En procesos a presión constante es frecuente que, a medida que transcurre la reacción, exista un pequeño cambio de volumen, el que se expresa como: W = -P x ΔV

1er Principio de la termodinámica: Qp es calor a presión constante.

Despejando el calor intercambiado (Qp)

ΔU = Qp – P x ΔV

Qp = (U2 + P x V2) – (U1 + P xV1)

ENTALPÍA ENTALPÍA

3. Primer Principio de la Termodinámica.3.1 Entalpía

Entalpía (H): U + P x ΔV U = Energía interna; P = Presión; ΔV = Variación del volumen

La entalpía es una función de estado, ya que no depende del camino recorrido. Además es una propiedad extensiva, ya que depende de la masa del sistema.

La expresión matemática queda: Qp = H2 – H1 = ΔH

ΔH se conoce como VARIACIÓN DE ENTALPÍA y es igual a la diferencia entre la entalpía de los productos y la de los reactantes .

ΔH = H productos – H reactantes

3. Primer Principio de la Termodinámica.3.1 Entalpía

Dependiendo del calor puesto en juego en un proceso químico, las reacciones pueden ser endotérmicas o exotérmicas.

Cuando ΔH > 0 El sistema absorbe calor

PROCESO ENDOTÉRMICO.

Cuando ΔH < 0 El sistema libera calor

PROCESO EXOTÉRMICO

ΔH = H productos – H reactantes

Proceso endotérmico

Proceso exotérmico