TERMODINÁMICA:

CONCEPTOS Y DEFINICIONES

Definir los conceptos básicos en termodinámica, aplicados en sistemas abiertos y cerrados

Objetivos

INTRODUCCIÓN

En esto último radica gran parte

de su aplicabilidad e interés en

química.

Uno de los aspectos más importantes de la química es la producción y el flujo

de la energía

La Termodinámica estudia los intercambios de energía que se producen en los

procesos físico-químicos.

Permite estimar la reactividad

química, (CONSTANTE DE

EQUILIBRIO DE UNA REACCIÓN), a

partir de las propiedades de los

reactivos y productos de reacción.

Las reacciones químicas implican cambios de energía:

La combustión de la gasolina

libera energía

La separación del agua en hidrógeno y

oxígeno, requiere energía

El estudio de la energía y sus transformaciones se conoce como TERMO

DINÁMICA

Therme “calor”

Dynamis “Potencia”

La invención del termómetro se atribuye

a Galileo, aunque el termómetro sellado

no apareció hasta 1650.

Los orígenes de la Termodinámica como ciencia podrían establecerse en la

época de la invención del termómetro, que se atribuye a Galileo

En reacciones que se desarrollan bajo condiciones controladas, la medición de

las variaciones de temperatura permite deducir los intercambios de calor

(calores de reacción).

Termómetro de cristal, basado en el principio físico de que

la densidad de un líquido cambia según la temperatura,

descubierto por Galileo Galilei (1564-1642). En función de

los cambios de temperatura, las bolas de cristal que se

encuentran en el interior del termómetro, se desplazan

hacia arriba o abajo, generándose dos zonas; una en la

parte superior y otra en la parte inferior.

Cada bola lleva una placa grabada con la temperatura de

correspondencia con la densidad del líquido.

La temperatura ambiente es mostrada por la bola mas baja

del conjunto de bolas que se encuentra en la zona superior

del termómetro. Rango de 18 a 24ºC (de 2 en 2 grados)

Los termómetros modernos de alcohol y

mercurio fueron inventados por el físico

alemán Gabriel Fahrenheit, quien también

propuso la primera escala de temperaturas

ampliamente adoptada, que lleva su

nombre.

Punto de fusión del hielo 32ºF

Punto de ebullición del agua 212ºF.

212-32=180

(La magnitud del grado Fahrenheit es

menor que la del grado centígrado)

La escala centígrada, o Celsius, fue

diseñada por el astrónomo sueco

Es utilizada en la mayoría de los países.

El punto de congelación es 0 grados (0 ºC)

y el punto de ebullición es de 100 ºC.

Anders Celsius

Por último

la escala de temperaturas absolutas o

escala Kelvin, tiene su cero a una

temperatura de –273.15ºC,

aunque la magnitud del grado Kelvin es

igual a la del grado Celsius.

Para convertir una temperatura en la

escala Celsius (TC) en su valor en la

escala Kelvin (TK), usamos la expresión:

TK = TC + 273.15

Este área de estudio se desarrolló mucho con la revolución industrial

Interesaba conocer las relaciones entre calor,

trabajo y el contenido energético de los

combustibles.

Maximizar el rendimiento de las máquinas de

vapor

Científicos que destacaron por la realización de investigaciones y

descubrimientos muy relevantes en relación a la Termodinámica fueron, entre

otros, Boltzmann, Carnot, Clapeyron, Clausius, Gibbs, Helmholtz, Hess, Joule,

Kelvin, Maxwell.

…

Electrónica

Eléctrica

INGENIERIA

Mecánica

…

M. Fluidos

Térmica Procesos

Estruc.

Termodinámica Termotecnia

Termodinámica

Técnica

Termodinámica

Química

Procesos

Termodinámicos

Sistemas y

Dispositivos

Campo de estudio de la termodinámica

Conceptos fundamentales

Sistema Internacional de Unidades

• Dimensión: es una cantidad física que define a un sistema de unidades.

• Unidad fundamental: a cada dimensión fundamental se le asigna una unidad llamada fundamental.

• Unidades derivadas: surgen de la combinación de unidades fundamentales, suplementarias y otras derivadas, según la ecuación algebraica que las relaciona.

Sistema Internacional de Unidades

Dimensión Unidad Fundamental

Nombre Símbolo Nombre Símbolo

Longitud L metro m

Masa M kilogramo kg

Tiempo T segundo s

Temperatura Θ kelvin K

Corriente eléctrica I ampere A

Intensidad luminosa candela cd

Cantidad de sustancia n, N mol mol

Propiedades termodinámicas

Masa: Es una propiedad fundamental de tipo escalar y

representa a la cantidad de materia, independiente de su

ubicación geográfica; puede medirse con una balanza en un

campo gravitatorio. Se emplea para determinar si una

propiedad de la sustancia es intensiva o extensiva.

Propiedad: característica inherente a la materia, que

puede medirse.

• Propiedad intensiva: su valor es independiente de la

cantidad de sustancia.

• Propiedad extensiva: su valor depende de la cantidad de

sustancia.

Ejemplos de propiedades:

• Propiedades extensivas:

Volumen, peso, energía cinética, energía potencial

gravitatoria.

• Propiedades intensivas:

Densidad, densidad relativa, peso específico, volumen

específico, presión.

Propiedades termodinámicas

Sistemas termodinámicos

• Sistema: es una porción con masa del universo, la que se separa para su análisis.

• Sistema cerrado: es el que tiene una cantidad fija e invariable de masa y solo la energía cruza su frontera.

• Sistema aislado: un caso particular del sistema cerrado es el sistema aislado, en el cual, no hay transferencia de masa ni de energía a través de su frontera.

• Sistema abierto: permite el paso de energía y de masa a través de su frontera.

Tipos de fronteras

• Puede clasificarse en reales o imaginarias.

Clasificación de fronteras

Frontera

Pasaje de masa Permeable

Impermeable

Interacción térmica Diatérmica

Adiabática

Interacción mecánica Flexible

Rígido

Por ejemplo un sistema está en equilibrio térmico

con el medio ambiente cuando no hay flujo neto

de calor entre ambas partes del universo.

La Termodinámica se relaciona con los estados de

equilibrio

Un estado de equilibrio es aquél en el que las propiedades macroscópicas del

sistema, temperatura, densidad, composición química, etc., están bien definidas

y no varían.

La Termodinámica permite discernir si es posible

pasar de un estado de equilibrio a otro, pero no la

velocidad de dicha transformación.

Ejemplos de funciones de estado son:

temperatura, presión, volumen, energía

interna, entalpía, etc.

Para descripción de los sistemas termodinámicos se hace obteniendo los

valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado

Una función de estado es una propiedad del sistema que tiene cierto valor

definido para cada estado y es independiente de la forma en que se alcanza

este estado.

1

2

Una función de ESTADO:

NO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL

SISTEMA SINO DE SU CONDICIÓN

ACTUAL

Las propiedades termodinámicas de un sistema dependen de las condiciones

particulares del mismo.

Por ello se definen unas condiciones estándar, que permiten establecer unos

estados de referencia.

Ejemplo: para una muestra de gas dependen de la presión.

Dichas condiciones estándar, son las siguientes:

Para gases puros o en una mezcla de gases, la presión parcial de 105 Pa,

suponiendo comportamiento ideal. El valor de 105 Pa es ligeramente menor

que 1 atmósfera.

Para sustancias disueltas la concentración 1 molal aproximadamente igual a 1

molar), suponiendo comportamiento ideal.

Para sólidos y líquidos puros su forma más estable bajo la presión de 1

atmósfera.

Las condiciones estándar pueden darse para cualquier temperatura.

No obstante las tablas de propiedades termodinámicas en condiciones estándar

suelen recoger datos correspondientes a 25ºC.

La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC, siglas en inglés)

publicó en su página web un glosario revisado en el 2000, en la cual se definen

los términos “Condiciones Normales” (Normal Conditions), “Estándar” (Standard)

y “Condiciones Estándares para los gases” (Standard Conditions for Gases).

Estándar: Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por

acuerdo, que sirve como modelo o regla en la medición de una cantidad o en el

establecimiento de una práctica o procedimiento, en el análisis de la

contaminación del aire, o el uso de los gases, líquidos y sólidos de referencia

estándar para calibrar equipos.

Condiciones Estándares para Gases: A veces se indica con la abreviación

STP. Temperatura: 273,15 K (0ºC). Presión: 105 pascales. La IUPAC recomienda

descontinuar el uso inicial de la presión de 1 atm (equivalente a 1,01325 x 105

Pa) como presión estándar.

Condiciones Normales: Es un término cualitativo que depende de la preferencia

del investigador; a menudo implica la presión del ambiente y la temperatura del

lugar. Es preferible que estas variables de temperatura y presión sean fijadas

como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de

condiciones) empleadas en el estudio.

Ley cero de la termodinámica

• Cuando dos sustancias A y B están en condiciones

térmicas distintas y alcanzan simultánea y

separadamente el equilibrio térmico con un tercer

sistema, originalmente en condición térmica distinta de

los demás, entonces es un hecho experimental que las

sustancias A y B tienen que estar en equilibrio térmico

entre sí. En otras palabras, hay una propiedad que

indiscutiblemente tiene el mismo valor en cada

sustancia que esté en equilibrio térmico; esta propiedad

se llama temperatura.

Temperatura

• En palabras sencillas el mensaje de la ley cero de la

termodinámica es: “todo cuerpo tiene una propiedad

llamada temperatura. Cuando dos cuerpos están en

equilibrio térmico su temperatura es la misma”.

• Es una propiedad fundamental y puede entenderse

como aquella propiedad que permanece invariable

cuando dos sustancias están en equilibrio térmico.

Escalas de temperatura

• Celsius: utilizó los puntos normales de congelación y

ebullición del agua.

Escalas de temperatura

• Escala absoluta o de Kelvin.

• Se demostró que un gas ideal a presión constante tiene

un V=f(T). Se pensó que la temperatura más pequeña

era aquella con volumen igual a cero, ya que no hay

volúmenes negativos. Se asoció O (K) =-273,15 (°C).

Energia

• Es una cantidad física de tipo escalar que

latente o manifiesta es capaz de producir

cambios en la materia o en sus alrededores.

• Pregunta: ¿La energía es propiedad?

Energías en transición: calor y trabajo

Clasificación de energía

Energía

En tránsito Calor (Q) Trabajo(W)

Como propiedad del sistema

Mecánicas

Cinética(EC) Potencial gravitatoria (EP)

Interna(U) Nuclear Potencial eléctrica Eólica Química Etc.

Calor

• Calor: Es energía en tránsito. Se manifiesta cuando dos

o más sistemas con temperaturas distintas se ponen en

contacto mediante fronteras diatérmicas.

• Sensible: se manifiesta cuando la temperatura cambia.

No hay cambio de fase.

• Latente: se manifiesta cuando no cambia la

temperatura. Hay cambio de fase.

Ecuaciones del calor

• Sensible

• Latente

Curva de calentamiento del agua

Signo de calor

Modelo matemático que representa la relación entre los

valores experimentales calor y temperatura

Trabajo

La fuerza es un agente capaz de cambiar o modificar la cantidad de movimiento de un cuerpo con respecto al tiempo.

Signo del trabajo

Trabajo cuasi-estático

• Es aquél en el que la interacción que produce el cambio difiere en menos de un infinitésimo del valor de la propiedad sobre la influye.

• Es el proceso en el que el cambio se efectúa muy lentamente, de tal forma, que el sistema está siempre en equilibrio termodinámico. Sin embargo, el estado final es diferente del inicial.

Experimento de James Prescott Joule

• Un recipiente adiabático contiene una cierta cantidad de

agua, con un termómetro para medir su temperatura, un

eje con unas paletas que se ponen en movimiento por la

acción de una pesa, tal como se muestra en la figura.

Experimento de Joule

• La versión original del experimento, consta de dos pesas iguales que cuelgan simétricamente del eje.

• La pesa, que se mueve con velocidad prácticamente constante, pierde energía potencial, entonces el agua agitada por las paletas se calienta debido a la fricción.

• Si el bloque de masa (m) desciende una altura (h), la energía potencial disminuye en Ep=mgh, y ésta es la energía que se utiliza para calentar el agua (se desprecian otras pérdidas).

Experimento de Joule

• Joule encontró que la disminución de energía potencial es proporcional al incremento de temperatura del agua. La constante de proporcionalidad (la capacidad térmica específica del agua) es igual a 4,186 (J/(g Δ°C)). Por tanto, 4,186 (J) de energía mecánica aumentan la temperatura de 1(g) de agua en 1(°C).

• Se define la caloría como la cantidad de energía calorífica necesaria para elevar 1(°C), la temperatura de 1(g) de agua pura, desde 14,5 (°C) a 15,5 (°C), a una presión normal de 101,325 (kPa) o 1atm.

Energía interna

La energía interna de un sistema, E, puede definirse como la suma de todas las

energías de las partículas, (átomos o moléculas), que constituyen dicho

sistema.

A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e

interacciones, no es posible determinar la energía exacta de

ningún sistema de interés práctico.

Normalmente estamos más interesados en determinar las

variaciones de E en un proceso dado. Estas variaciones se

producen por intercambios de calor y/o trabajo.

Joule comprobó en un experimento célebre que se podía

obtener el mismo incremento de temperatura de una masa

de agua calentando (aportando calor al sistema), o bien

agitando dicha masa de agua mediante unas paletas, pero

sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor).

Ello demuestra que se puede modificar la energía interna

de un sistema, (pasar de un estado E1 a un estado E2),

mediante intercambios de calor y/o intercambios de

trabajo.

Por tanto la energía interna es una función de estado del sistema (su valor sólo

depende de los estados inicial y final), el calor y el trabajo intercambiados en un

proceso no son funciones de estado (su valor depende de la forma en que se

realice el proceso).

El calor y el trabajo sólo son formas de intercambio de energía