sustancia puras
TRANSCRIPT
TERMODINAMICA
PROPIEDADES DE SUSTANCIAS PURAS
ASESOR EVALUADOR
ING WILLIAM RUBERVELAZQUEZ
Propiedades de las sustancias puras
Una sustancia pura que tiene una composicioacuten quiacutemica fija en cualquier parte se le llama sustancia pura el agua nitroacutegeno y el hielo son sustancias puras
Una sustancia pura no debe de estar conformada por un solo elemento o compuesto quiacutemico
Fases de una sustancia pura
Son 3 principales (solido liquido gaseoso) una sustancia puede tener varias fases dentro de la principal cada una con distinta estructura molecularPor experiencia se sabe que las sustancias existen en fases diferentes a temperatura y presioacuten ambiente el cobre es un solido a temperatura ambiente el mercurio es un liquido a igual temperatura y en nitroacutegeno un gas pero en conclusiones distintas todos podriacutean encontrarse en diferentes fases
Liquido comprimidoEl agua existe en fase liquida y se le denomina ldquoliquido comprimidordquo lo cual significa que no esta apunto de evaporarse
Liquido saturadoUn liquido que esta apunto de evaporarse se llama ldquoliquido saturadordquo tenemos que tomar en cuenta que aun no existe una porcioacuten de vapor ya que en esta fase es cuando esta a punto de comenzar a crearse vapor
Vapor huacutemedoCuando nos referimos a vapor huacutemedo es en el momento en que consideramos cierto porcentaje de vapor en una mezcla (liquido-vapor) y suele denotarse con una X la cual se conoce como calidad
Vapor saturadoEs un vapor que esta en el punto en que se va a condensar Esta fase hace que la sustancia este completa como vapor y es necesario retirar calor
El diagrama PVT
Es la representacioacuten en el espacio tridimensional Presioacuten - Volumen especiacutefico -Temperatura de los estados posibles de un compuesto quiacutemico
Estos estados configuran en el espacio PVT una superficie discontinua debieacutendose las discontinuidades a los cambios de estado que sufre el compuesto al variarse las condiciones de presioacuten y temperatura que son las variables que suelen adoptarse como independientes en los estudios y caacutelculos termodinaacutemicos principalmente por la relativa sencillez de su medida
Vapor de aguaEl vapor de agua es un gas que se obtiene por evaporacioacuten o ebullicioacuten del agua liacutequida o por sublimacioacuten del hielo Es inodoro e incoloroMuy enrarecido el vapor de agua es responsable de la humedad ambiental En ciertas condiciones a alta concentracioacuten parte del agua que estaacute en forma el vapor se condensa constituyendo gotitas de agua liacutequida en suspensioacuten y asiacute se forma la niebla o a alturas mayores sobre el suelo nubes
Vapor de aguaNombre sistemaacutetico Vapor de agua
Estado liacutequido AguaEstado soacutelido Hielo nieve
Propiedades1
Punto de licuefaccioacuten 100 degCConstante individual gaseosa 4615 J(kgmiddotK)Calor latente de evaporacioacuten 227 MJkg
Masa molar 1802 gmolCalor especiacutefico 184 kJ(kgmiddotK)048 cal(gmiddotdegC)
El vapor de agua es un gas obtenido por evaporacioacuten de cierta cantidad de agua en estado liacutequido al igual que en el caso del aire seco es posible asumir que se comporta como gas ideal en intervalos de presioacuten y temperatura moderados generalmente inferiores a 003 bar y 65 deg C Bajo estas condiciones se calculan sus propiedades fiacutesicasVolumen especiacutefico del vapor de agua El volumen especiacutefico se encuentra en funcioacuten de la temperatura y presioacuten mediante la siguiente ecuacioacuten
Donde R toma el valor de 46152m3PakgK Vv es el volumen especiacutefico en m3kg pv es la presioacuten parcial del vapor de agua y T es la temperatura absoluta en KCalor especifico del vapor de agua Para un rango de temperatura entre -70degC y 120degC se ha encontrado que es posible trabajar con un calor especifico promedio para el vapor de agua de 186kJkgdegC Sin embargo recuerde que si requiere mayor exactitud es conveniente calcular este valor a traveacutes de la correlacioacuten polinoacutemica basada en la temperatura
TRABAJO Y CALOR
DEFINICIOacuteN DE TRABAJO Y CALOR
Son intercambios energeacuteticos que tienen lugar como consecuencia de las interacciones que pueden experimentar los sistemas termodinaacutemicos Tanto el calor como el trabajo son manifestaciones externas de la energiacutea y uacutenicamente se evidencian en las fronteras de los sistemas y solamente apareceraacuten cuando estos experimenten cambios en sus estados termodinaacutemicos
En las interacciones que experimentan los sistemas estos pueden recibir o ceder energiacutea La energiacutea se considera como una magnitud algebraica establecieacutendose el siguiente criterio trabajo que proporciona el sistema positivo y el que recibe negativo Asiacute mismo el calor suministrado al sistema se considera positivo y el cedido por eacutel negativo
Criterio de signos para el intercambio energeacutetico
TRABAJO
Definicioacuten mecaacutenica de trabajo
Es el producto de una fuerza por la distancia recorrida en la direccioacuten de la fuerza
Definicioacuten termodinaacutemica de trabajo
Un sistema realiza trabajo durante un proceso si el uacutenico efecto en el medio exterior pudiese ser el levantamiento de un peso Ejm un sistema formado por una bateriacutea y un motor En los liacutemites del sistema se observa el trabajo entregado por el motor a la rueda de paletas Si se sustituye la rueda de paletas por un conjunto de peso-polea el uacutenico efecto externo a la frontera del sistema seraacute el levantamiento de un peso
Ilustracioacuten del trabajo de la rueda de paletas
TRABAJO DE UN SISTEMA
Consideremos un arreglo cilindro-pistoacuten que encierra una cierta masa de gas que ejerce presioacuten sobre la cara del pistoacuten de superficie A Si el pistoacuten se desplaza hacia la izquierda debido a la aplicacioacuten de una fuerza F externa se diraacute que los alrededores ejercen trabajo sobre el gas y su valor infinitesimal seraacute
Dicieacutendose en este caso que el gas ha sido comprimido
Trabajo mecaacutenico que se asocia con el movimiento de la frontera de un dispositivo cilindro-pistoacuten
El trabajo se puede expresar como
En termodinaacutemica se dice que un sistema se encuentra en estado de equilibrio termodinaacutemico si es incapaz de experimentar espontaacuteneamente alguacuten cambio de estado o proceso termodinaacutemico cuando estaacute sometido a unas determinadas condiciones de contorno (las condiciones que le imponen sus alrededores) Para ello ha de encontrarse simultaacuteneamente en equilibrio teacutermico equilibrio mecaacutenico y equilibrio quiacutemico
TRABAJO CASI EN EQUILIBRIO
CALOR
Es la forma de energiacutea que se transmite a traveacutes del liacutemite de un sistema que estaacute a una temperatura a otro sistema (o al medio exterior) a una temperatura mas baja debido a la diferencia de temperatura entre los dos sistemas El calor es una funcioacuten de trayectoria y su diferencial es inexacta luego
COMPARACION ENTRE CALOR Y TRABAJO
Calor y trabajo son ambos fenoacutemenos transitorios Los sistemas nunca tienen calor o trabajo pero cualquiera o ambos cruzan los liacutemites del sistema cuando eacuteste sufre un cambio de estadoAmbos calor y trabajo son fenoacutemenos de liacutemite Ambos se observan solamente en los liacutemites del sistema y ambos representan la energiacutea que cruza el liacutemite del sistema
Ambos calor y trabajo son funciones de trayectoria y diferenciales inexactasPor conveccioacuten +Q representa calor transferido al sistema y que por tanto es energiacutea antildeadida en eacutel y +W representa trabajo efectuado por el sistema y esto representa energiacutea que sale de eacutel
lustracioacuten para indicar diferencia entre calor y trabajo
La energiacutea cruza los liacutemites del sistema porque la temperatura de las paredes es mayor que la temperatura del gas El calor cruza los liacutemites del sistema la electricidad cruza los liacutemites del sistema El trabajo cruza los liacutemites del sistema
La transferencia de calor es el proceso de propagacioacuten del calor en distintos medios La parte de la fiacutesica que estudia estos procesos se llama a su vez Transferencia de calor o Transmisioacuten de calor La transferencia de calor se produce siempre que existe un gradiente teacutermico o cuando dos sistemas con diferentes temperaturas se ponen en contacto El proceso persiste hasta alcanzar el equilibrio teacutermico es decir hasta que se igualan las temperaturas Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos o regiones lo suficientemente proacuteximas la transferencia de calor no puede ser detenida solo puede hacerse maacutes lenta
TRANSFERENCIA DE CALOR
Una barra al rojo vivo transfiere calor al ambiente principalmente por radiacioacuten teacutermica y en menor medida por conveccioacuten
La termodinaacutemica es la ciencia que estudia la relacioacuten entre el calor y otras formas de energiacutea El calor es energiacutea en traacutensito Siempre que existe un gradiente de temperatura en un sistema o se ponen en contacto dos sistemas a diferente temperatura se transfiere energiacutea entre ellos Sabemos de esta transferencia no porque la veamos sino por los cambios que se producen en el o los sistemas La Termodinaacutemica basaacutendose en los estados de cada sistema desde un punto de vista macroscoacutepico es decir en funcioacuten de atributos tales como la presioacuten la temperatura y el volumen que se pueden medir determina si ha habido cambios en la energiacutea interna de los mismos En cumplimiento del Primer principio y descartada la interaccioacuten de trabajo con el exterior la variacioacuten de energiacutea interna solo puede ser debida a calor es decir a transferencia de energiacutea de un sistema al otro
Pero los paraacutemetros macroscoacutepicos solo se pueden medir o tiene valor su medida si es homogeacutenea en todo el sistema lo que solo ocurre si estaacuten en equilibrio La termodinaacutemica por tanto se ocupa de los estados de equilibrio y en funcioacuten de sus diferencias determina la cantidad de energiacutea transferida de un estado al otro pero sin considerar el mecanismo de flujo de calor ni la velocidad a la que se ha realizado la transferencia En un anaacutelisis termodinaacutemico se sabe la cantidad de energiacutea necesaria para pasar de un estado al otro pero no se conoce cuaacutento tiempo ha requerido la transferencia porque el tiempo no se incluye como variable en el anaacutelisis1 Esto es objetivo de otra rama de la ciencia que se conoce como Transferencia de calor
La Transferencia de calor como ciencia tiene como objetivo calcular La velocidad de transferencia de calor para una diferencia de temperatura especiacutefica y no es una misioacuten baladiacute ya que casi cualquier rama de la ingenieriacutea encuentra problemas de transferencia de calor que no podriacutean ser resueltos con uacutenicamente el razonamiento termodinaacutemico
Imagen tomada de una computacioacuten de conveccioacuten en el manto terrestre los colores rojizos representan aacutereas maacutes calientes y los maacutes azules las maacutes friacuteas
bullConduccioacuten Es la transferencia de calor que se produce a traveacutes de un medio material por contacto directo entre sus partiacuteculas cuando existe una diferencia de temperatura y en virtud del movimiento de sus micro partiacuteculas El medio puede ser soacutelido liacutequido o gaseoso aunque en liacutequidos y gases solo se da la conduccioacuten pura si se excluye la posibilidad de conveccioacuten La cantidad de calor que se transfiere por conduccioacuten viene dada por la ley de Fourier Esta ley afirma que la velocidad de conduccioacuten de calor a traveacutes de un cuerpo por unidad de seccioacuten transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo
La conduccioacuten de calor o transmisioacuten de calor por conduccioacuten es un proceso de transmisioacuten de calor basado en el contacto directo entre los cuerpos sin intercambio de materia por el que el calor fluye desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura que estaacute en contacto con el primero La propiedad fiacutesica de los materiales que determina su capacidad para conducir el calor es la conductividad teacutermica La propiedad inversa de la conductividad teacutermica es la resistividad teacutermica que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor
El segundo principio de la termodinaacutemica determina que el calor soacutelo puede fluir de un cuerpo maacutes caliente a uno maacutes friacuteo la ley de Fourier fija cuantitativamente la relacioacuten entre el flujo y las variaciones espacial y temporal de la temperatura
bullConveccioacuten La transmisioacuten de calor por conveccioacuten se compone de dos mecanismos simultaacuteneos El primero es la transferencia de calor por conduccioacuten debida al movimiento molecular a la que se superpone la transferencia de energiacutea por el movimiento de fracciones del fluido que se mueven accionadas por una fuerza externa que puede ser un gradiente de densidad (conveccioacuten natural) o una diferencia de presioacuten producida mecaacutenicamente (conveccioacuten forzada) o una combinacioacuten de ambas La cantidad de calor transferido por conveccioacuten se rige por la ley de enfriamiento de Newton
bullRadiacioacuten se puede atribuir a cambios en las configuraciones electroacutenicas de los aacutetomos o moleacuteculas constitutivas En ausencia de un medio existe una transferencia neta de calor por radiacioacuten entre dos superficies a diferentes temperaturas debido a que todas las superficies con temperatura finita emiten energiacutea en forma de ondas electromagneacuteticas El calor emitido por una superficie en la unidad de tiempo viene dado por la ley de Stefan-Boltzmann
Se denomina radiacioacuten teacutermica o radiacioacuten caloriacutefica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura Todos los cuerpos emiten radiacioacuten electromagneacutetica siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada En lo que respecta a la transferencia de calor la radiacioacuten relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 01microm a 1000microm abarcando por tanto la regioacuten infrarroja del espectro electromagneacuteticoLa materia en un estado condensado (soacutelido o liacutequido) emite un espectro de radiacioacuten continuo La frecuencia de onda emitida por radiacioacuten teacutermica es una funcioacuten de densidad de probabilidad que depende solo de la temperatura
bullLa radiacioacuten infrarroja de un radiador domeacutestico comuacuten o de un calefactor eleacutectrico es un ejemplo de radiacioacuten teacutermicabullLa luz emitida por una laacutempara incandescente La radiacioacuten teacutermica se produce cuando el calor del movimiento de partiacuteculas cargadas dentro de los aacutetomos se convierte en radiacioacuten electromagneacutetica
bullLa aplicacioacuten de la ley de Planck al Sol con una temperatura superficial de unos 6000 K nos lleva a que el 99 de la radiacioacuten emitida estaacute entre las
longitudes de onda 015 (microacutemetros o micras) y 4 micras y su maacuteximo dado por la ley de Wien ocurre a 0475 micras Como 1 Aring = 10-10 m = 10-
4micras resulta que el Sol emite en un rango de 1500 Aring hasta 40000 Aring y el maacuteximo ocurre a 4750 Aring La luz visible se extiende desde 4000 Aring a 7400 Aring La radiacioacuten ultravioleta u ondas cortas iriacutean desde los 1500 Aring a los 4000 Aring y la radiacioacuten infrarroja o radiacioacuten teacutermica u ondas largas desde las 074 micras a 4 micras
Tipos de radiaciones
bullradiacioacuten de radiobullradiacioacuten de microondasbullradiacioacuten infrarrojabullradiacioacuten visiblebullradiacioacuten ultravioletabullradiacioacuten Xbullradiacioacuten gamma (es la que emite maacutes energiacutea y la maacutes peligrosa)
Comemos alimentos
Para mantener nuestras funciones bioloacutegicas
Quemamos combustibles
Para producir energiacutea eleacutectricaPara calentar nuestras casasPara generar potencia en aviones trenes automoacuteviles
Usamos cubitos de hielo
Para enfriar bebidas
Usamos calor Para convertir masa cruda en pan horneado
Todos estos ejemplos nos indican que las reacciones quiacutemicas tienen algo en comuacuten
Las reacciones quiacutemicas implican cambios de energiacuteaLa combustioacuten de la gasolina libera energiacutea
La separacioacuten del agua en hidroacutegeno y oxiacutegeno requiere energiacutea
El estudio de la energiacutea y sus transformaciones se
conoce como TERMO DINAacuteMICAThermeldquocalorrdquo
DynamisldquoPotenciardquo
La invencioacuten del termoacutemetro se atribuye a Galileo aunque el termoacutemetro sellado no aparecioacute hasta 1650
Los oriacutegenes de la Termodinaacutemica como ciencia podriacuteanestablecerse en la eacutepoca de la invencioacuten del termoacutemetro quese atribuye a Galileo En reacciones que se desarrollan bajo condiciones controladas la medicioacuten de las variaciones de temperatura permite deducir los intercambios de calor (calores de reaccioacuten)
Termoacutemetro de cristal basado en el principio fiacutesico de que la densidad de un liacutequido cambia seguacuten la temperatura descubierto por Galileo Galilei (1564-1642) En funcioacuten de los cambios de temperatura las bolas de cristal que se encuentran en el interior del termoacutemetro se desplazan hacia arriba o abajo generandose dos zonas una en la parte superior y otra en la parte inferiorCada bola lleva una placa grabada con la temperatura de correspondencia con la densidad del liacutequidoLa temperatura ambiente es mostrada por la bola mas baja del conjunto de bolas que se encuentra en la zona superior del termoacutemetroRango de 18 a 24ordmC (de 2 en 2 grados)
Los termoacutemetros modernos de alcohol y mercurio fueron inventados por el fiacutesico alemaacuten Gabriel Fahrenheit quien tambieacuten propuso la primera escala de temperaturas ampliamente adoptada que lleva su nombre Punto de fusioacuten del hielo 32ordmF
Punto de ebullicioacuten del agua 212ordmF
212-32=180(La magnitud del grado Fahrenheit es menor que la del grado centiacutegrado)
La escala centiacutegrada o Celsius fue disentildeada por el astroacutenomo sueco
Es utilizada en la mayoriacutea de los paiacutesesEl punto de congelacioacuten es 0 grados (0 ordmC) y el punto de ebullicioacuten es de 100 ordmC
Anders Celsius
Por uacuteltimo la escala de temperaturas absolutas o escala Kelvin tiene su cero a una temperatura de ndash27315ordmC 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 expresioacutenTK = TC + 27315
Este aacuterea de estudio se desarrolloacute mucho con la revolucioacuten industrial
Interesaba conocer las relaciones entre calor trabajo y el contenido energeacutetico de los combustibles
Maximizar el rendimiento de las maacutequinas de vapor
Cientiacuteficos quedestacaron por la realizacioacuten de investigaciones y descubrimientos muy relevantesen relacioacuten a la Termodinaacutemica fueron entre otros Boltzmann Carnot ClapeyronClausius Gibbs Helmholtz Hess Joule Kelvin Maxwellhellip
Sistema y medio ambiente Convenio de signos de
los intercambios energeacuteticos Condiciones estaacutendar
Pueden ocurrir intercambios demateria yo energiacutea entre sistema y medio ambiente pero eacutestos deben ser controlados
ldquoexperimentordquo
sistema
medio ambiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema
son positivos
Tanto el calor perdido
por el sistema como el
trabajo efectuado por
el sistema sobre su
entorno son negativos
El convenio de signos para los intercambios de energiacutea en forma de calor y trabajo entre sistema y medio ambiente es el siguiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema son positivos aumentan su energiacutea
Tanto el calor perdido por el sistema como el trabajo efectuado por el sistema sobre su entorno son negativos reducen la energiacutea del sistema
qgt0wgt0
qlt0wlt0
qgt0wgt0
qlt0wlt0
E
EL QUIacuteMICO ES EL SISTEMA y lo ve desde dentro
El FIacuteSICO lo ve desde fuera
El quiacutemico ve el sistema desde dentro como si EL fuese el sistema
Por ejemplo un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre ambas partes del universo
La Termodinaacutemica se relaciona con los estados de equilibrioUn estado de equilibrio es aqueacutel en el que las propiedades macroscoacutepicas del sistema temperatura densidad composicioacuten quiacutemica etc estaacuten bien definidas y no variacutean
La Termodinaacutemica permite discernir si es posible pasar de un estado de equilibrio a otro pero no la velocidad de dicha transformacioacuten
Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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 funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
FORMATObull ARIAL 12bull INTERLINIADO 15 williamrubergmailcom
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Propiedades de las sustancias puras
Una sustancia pura que tiene una composicioacuten quiacutemica fija en cualquier parte se le llama sustancia pura el agua nitroacutegeno y el hielo son sustancias puras
Una sustancia pura no debe de estar conformada por un solo elemento o compuesto quiacutemico
Fases de una sustancia pura
Son 3 principales (solido liquido gaseoso) una sustancia puede tener varias fases dentro de la principal cada una con distinta estructura molecularPor experiencia se sabe que las sustancias existen en fases diferentes a temperatura y presioacuten ambiente el cobre es un solido a temperatura ambiente el mercurio es un liquido a igual temperatura y en nitroacutegeno un gas pero en conclusiones distintas todos podriacutean encontrarse en diferentes fases
Liquido comprimidoEl agua existe en fase liquida y se le denomina ldquoliquido comprimidordquo lo cual significa que no esta apunto de evaporarse
Liquido saturadoUn liquido que esta apunto de evaporarse se llama ldquoliquido saturadordquo tenemos que tomar en cuenta que aun no existe una porcioacuten de vapor ya que en esta fase es cuando esta a punto de comenzar a crearse vapor
Vapor huacutemedoCuando nos referimos a vapor huacutemedo es en el momento en que consideramos cierto porcentaje de vapor en una mezcla (liquido-vapor) y suele denotarse con una X la cual se conoce como calidad
Vapor saturadoEs un vapor que esta en el punto en que se va a condensar Esta fase hace que la sustancia este completa como vapor y es necesario retirar calor
El diagrama PVT
Es la representacioacuten en el espacio tridimensional Presioacuten - Volumen especiacutefico -Temperatura de los estados posibles de un compuesto quiacutemico
Estos estados configuran en el espacio PVT una superficie discontinua debieacutendose las discontinuidades a los cambios de estado que sufre el compuesto al variarse las condiciones de presioacuten y temperatura que son las variables que suelen adoptarse como independientes en los estudios y caacutelculos termodinaacutemicos principalmente por la relativa sencillez de su medida
Vapor de aguaEl vapor de agua es un gas que se obtiene por evaporacioacuten o ebullicioacuten del agua liacutequida o por sublimacioacuten del hielo Es inodoro e incoloroMuy enrarecido el vapor de agua es responsable de la humedad ambiental En ciertas condiciones a alta concentracioacuten parte del agua que estaacute en forma el vapor se condensa constituyendo gotitas de agua liacutequida en suspensioacuten y asiacute se forma la niebla o a alturas mayores sobre el suelo nubes
Vapor de aguaNombre sistemaacutetico Vapor de agua
Estado liacutequido AguaEstado soacutelido Hielo nieve
Propiedades1
Punto de licuefaccioacuten 100 degCConstante individual gaseosa 4615 J(kgmiddotK)Calor latente de evaporacioacuten 227 MJkg
Masa molar 1802 gmolCalor especiacutefico 184 kJ(kgmiddotK)048 cal(gmiddotdegC)
El vapor de agua es un gas obtenido por evaporacioacuten de cierta cantidad de agua en estado liacutequido al igual que en el caso del aire seco es posible asumir que se comporta como gas ideal en intervalos de presioacuten y temperatura moderados generalmente inferiores a 003 bar y 65 deg C Bajo estas condiciones se calculan sus propiedades fiacutesicasVolumen especiacutefico del vapor de agua El volumen especiacutefico se encuentra en funcioacuten de la temperatura y presioacuten mediante la siguiente ecuacioacuten
Donde R toma el valor de 46152m3PakgK Vv es el volumen especiacutefico en m3kg pv es la presioacuten parcial del vapor de agua y T es la temperatura absoluta en KCalor especifico del vapor de agua Para un rango de temperatura entre -70degC y 120degC se ha encontrado que es posible trabajar con un calor especifico promedio para el vapor de agua de 186kJkgdegC Sin embargo recuerde que si requiere mayor exactitud es conveniente calcular este valor a traveacutes de la correlacioacuten polinoacutemica basada en la temperatura
TRABAJO Y CALOR
DEFINICIOacuteN DE TRABAJO Y CALOR
Son intercambios energeacuteticos que tienen lugar como consecuencia de las interacciones que pueden experimentar los sistemas termodinaacutemicos Tanto el calor como el trabajo son manifestaciones externas de la energiacutea y uacutenicamente se evidencian en las fronteras de los sistemas y solamente apareceraacuten cuando estos experimenten cambios en sus estados termodinaacutemicos
En las interacciones que experimentan los sistemas estos pueden recibir o ceder energiacutea La energiacutea se considera como una magnitud algebraica establecieacutendose el siguiente criterio trabajo que proporciona el sistema positivo y el que recibe negativo Asiacute mismo el calor suministrado al sistema se considera positivo y el cedido por eacutel negativo
Criterio de signos para el intercambio energeacutetico
TRABAJO
Definicioacuten mecaacutenica de trabajo
Es el producto de una fuerza por la distancia recorrida en la direccioacuten de la fuerza
Definicioacuten termodinaacutemica de trabajo
Un sistema realiza trabajo durante un proceso si el uacutenico efecto en el medio exterior pudiese ser el levantamiento de un peso Ejm un sistema formado por una bateriacutea y un motor En los liacutemites del sistema se observa el trabajo entregado por el motor a la rueda de paletas Si se sustituye la rueda de paletas por un conjunto de peso-polea el uacutenico efecto externo a la frontera del sistema seraacute el levantamiento de un peso
Ilustracioacuten del trabajo de la rueda de paletas
TRABAJO DE UN SISTEMA
Consideremos un arreglo cilindro-pistoacuten que encierra una cierta masa de gas que ejerce presioacuten sobre la cara del pistoacuten de superficie A Si el pistoacuten se desplaza hacia la izquierda debido a la aplicacioacuten de una fuerza F externa se diraacute que los alrededores ejercen trabajo sobre el gas y su valor infinitesimal seraacute
Dicieacutendose en este caso que el gas ha sido comprimido
Trabajo mecaacutenico que se asocia con el movimiento de la frontera de un dispositivo cilindro-pistoacuten
El trabajo se puede expresar como
En termodinaacutemica se dice que un sistema se encuentra en estado de equilibrio termodinaacutemico si es incapaz de experimentar espontaacuteneamente alguacuten cambio de estado o proceso termodinaacutemico cuando estaacute sometido a unas determinadas condiciones de contorno (las condiciones que le imponen sus alrededores) Para ello ha de encontrarse simultaacuteneamente en equilibrio teacutermico equilibrio mecaacutenico y equilibrio quiacutemico
TRABAJO CASI EN EQUILIBRIO
CALOR
Es la forma de energiacutea que se transmite a traveacutes del liacutemite de un sistema que estaacute a una temperatura a otro sistema (o al medio exterior) a una temperatura mas baja debido a la diferencia de temperatura entre los dos sistemas El calor es una funcioacuten de trayectoria y su diferencial es inexacta luego
COMPARACION ENTRE CALOR Y TRABAJO
Calor y trabajo son ambos fenoacutemenos transitorios Los sistemas nunca tienen calor o trabajo pero cualquiera o ambos cruzan los liacutemites del sistema cuando eacuteste sufre un cambio de estadoAmbos calor y trabajo son fenoacutemenos de liacutemite Ambos se observan solamente en los liacutemites del sistema y ambos representan la energiacutea que cruza el liacutemite del sistema
Ambos calor y trabajo son funciones de trayectoria y diferenciales inexactasPor conveccioacuten +Q representa calor transferido al sistema y que por tanto es energiacutea antildeadida en eacutel y +W representa trabajo efectuado por el sistema y esto representa energiacutea que sale de eacutel
lustracioacuten para indicar diferencia entre calor y trabajo
La energiacutea cruza los liacutemites del sistema porque la temperatura de las paredes es mayor que la temperatura del gas El calor cruza los liacutemites del sistema la electricidad cruza los liacutemites del sistema El trabajo cruza los liacutemites del sistema
La transferencia de calor es el proceso de propagacioacuten del calor en distintos medios La parte de la fiacutesica que estudia estos procesos se llama a su vez Transferencia de calor o Transmisioacuten de calor La transferencia de calor se produce siempre que existe un gradiente teacutermico o cuando dos sistemas con diferentes temperaturas se ponen en contacto El proceso persiste hasta alcanzar el equilibrio teacutermico es decir hasta que se igualan las temperaturas Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos o regiones lo suficientemente proacuteximas la transferencia de calor no puede ser detenida solo puede hacerse maacutes lenta
TRANSFERENCIA DE CALOR
Una barra al rojo vivo transfiere calor al ambiente principalmente por radiacioacuten teacutermica y en menor medida por conveccioacuten
La termodinaacutemica es la ciencia que estudia la relacioacuten entre el calor y otras formas de energiacutea El calor es energiacutea en traacutensito Siempre que existe un gradiente de temperatura en un sistema o se ponen en contacto dos sistemas a diferente temperatura se transfiere energiacutea entre ellos Sabemos de esta transferencia no porque la veamos sino por los cambios que se producen en el o los sistemas La Termodinaacutemica basaacutendose en los estados de cada sistema desde un punto de vista macroscoacutepico es decir en funcioacuten de atributos tales como la presioacuten la temperatura y el volumen que se pueden medir determina si ha habido cambios en la energiacutea interna de los mismos En cumplimiento del Primer principio y descartada la interaccioacuten de trabajo con el exterior la variacioacuten de energiacutea interna solo puede ser debida a calor es decir a transferencia de energiacutea de un sistema al otro
Pero los paraacutemetros macroscoacutepicos solo se pueden medir o tiene valor su medida si es homogeacutenea en todo el sistema lo que solo ocurre si estaacuten en equilibrio La termodinaacutemica por tanto se ocupa de los estados de equilibrio y en funcioacuten de sus diferencias determina la cantidad de energiacutea transferida de un estado al otro pero sin considerar el mecanismo de flujo de calor ni la velocidad a la que se ha realizado la transferencia En un anaacutelisis termodinaacutemico se sabe la cantidad de energiacutea necesaria para pasar de un estado al otro pero no se conoce cuaacutento tiempo ha requerido la transferencia porque el tiempo no se incluye como variable en el anaacutelisis1 Esto es objetivo de otra rama de la ciencia que se conoce como Transferencia de calor
La Transferencia de calor como ciencia tiene como objetivo calcular La velocidad de transferencia de calor para una diferencia de temperatura especiacutefica y no es una misioacuten baladiacute ya que casi cualquier rama de la ingenieriacutea encuentra problemas de transferencia de calor que no podriacutean ser resueltos con uacutenicamente el razonamiento termodinaacutemico
Imagen tomada de una computacioacuten de conveccioacuten en el manto terrestre los colores rojizos representan aacutereas maacutes calientes y los maacutes azules las maacutes friacuteas
bullConduccioacuten Es la transferencia de calor que se produce a traveacutes de un medio material por contacto directo entre sus partiacuteculas cuando existe una diferencia de temperatura y en virtud del movimiento de sus micro partiacuteculas El medio puede ser soacutelido liacutequido o gaseoso aunque en liacutequidos y gases solo se da la conduccioacuten pura si se excluye la posibilidad de conveccioacuten La cantidad de calor que se transfiere por conduccioacuten viene dada por la ley de Fourier Esta ley afirma que la velocidad de conduccioacuten de calor a traveacutes de un cuerpo por unidad de seccioacuten transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo
La conduccioacuten de calor o transmisioacuten de calor por conduccioacuten es un proceso de transmisioacuten de calor basado en el contacto directo entre los cuerpos sin intercambio de materia por el que el calor fluye desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura que estaacute en contacto con el primero La propiedad fiacutesica de los materiales que determina su capacidad para conducir el calor es la conductividad teacutermica La propiedad inversa de la conductividad teacutermica es la resistividad teacutermica que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor
El segundo principio de la termodinaacutemica determina que el calor soacutelo puede fluir de un cuerpo maacutes caliente a uno maacutes friacuteo la ley de Fourier fija cuantitativamente la relacioacuten entre el flujo y las variaciones espacial y temporal de la temperatura
bullConveccioacuten La transmisioacuten de calor por conveccioacuten se compone de dos mecanismos simultaacuteneos El primero es la transferencia de calor por conduccioacuten debida al movimiento molecular a la que se superpone la transferencia de energiacutea por el movimiento de fracciones del fluido que se mueven accionadas por una fuerza externa que puede ser un gradiente de densidad (conveccioacuten natural) o una diferencia de presioacuten producida mecaacutenicamente (conveccioacuten forzada) o una combinacioacuten de ambas La cantidad de calor transferido por conveccioacuten se rige por la ley de enfriamiento de Newton
bullRadiacioacuten se puede atribuir a cambios en las configuraciones electroacutenicas de los aacutetomos o moleacuteculas constitutivas En ausencia de un medio existe una transferencia neta de calor por radiacioacuten entre dos superficies a diferentes temperaturas debido a que todas las superficies con temperatura finita emiten energiacutea en forma de ondas electromagneacuteticas El calor emitido por una superficie en la unidad de tiempo viene dado por la ley de Stefan-Boltzmann
Se denomina radiacioacuten teacutermica o radiacioacuten caloriacutefica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura Todos los cuerpos emiten radiacioacuten electromagneacutetica siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada En lo que respecta a la transferencia de calor la radiacioacuten relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 01microm a 1000microm abarcando por tanto la regioacuten infrarroja del espectro electromagneacuteticoLa materia en un estado condensado (soacutelido o liacutequido) emite un espectro de radiacioacuten continuo La frecuencia de onda emitida por radiacioacuten teacutermica es una funcioacuten de densidad de probabilidad que depende solo de la temperatura
bullLa radiacioacuten infrarroja de un radiador domeacutestico comuacuten o de un calefactor eleacutectrico es un ejemplo de radiacioacuten teacutermicabullLa luz emitida por una laacutempara incandescente La radiacioacuten teacutermica se produce cuando el calor del movimiento de partiacuteculas cargadas dentro de los aacutetomos se convierte en radiacioacuten electromagneacutetica
bullLa aplicacioacuten de la ley de Planck al Sol con una temperatura superficial de unos 6000 K nos lleva a que el 99 de la radiacioacuten emitida estaacute entre las
longitudes de onda 015 (microacutemetros o micras) y 4 micras y su maacuteximo dado por la ley de Wien ocurre a 0475 micras Como 1 Aring = 10-10 m = 10-
4micras resulta que el Sol emite en un rango de 1500 Aring hasta 40000 Aring y el maacuteximo ocurre a 4750 Aring La luz visible se extiende desde 4000 Aring a 7400 Aring La radiacioacuten ultravioleta u ondas cortas iriacutean desde los 1500 Aring a los 4000 Aring y la radiacioacuten infrarroja o radiacioacuten teacutermica u ondas largas desde las 074 micras a 4 micras
Tipos de radiaciones
bullradiacioacuten de radiobullradiacioacuten de microondasbullradiacioacuten infrarrojabullradiacioacuten visiblebullradiacioacuten ultravioletabullradiacioacuten Xbullradiacioacuten gamma (es la que emite maacutes energiacutea y la maacutes peligrosa)
Comemos alimentos
Para mantener nuestras funciones bioloacutegicas
Quemamos combustibles
Para producir energiacutea eleacutectricaPara calentar nuestras casasPara generar potencia en aviones trenes automoacuteviles
Usamos cubitos de hielo
Para enfriar bebidas
Usamos calor Para convertir masa cruda en pan horneado
Todos estos ejemplos nos indican que las reacciones quiacutemicas tienen algo en comuacuten
Las reacciones quiacutemicas implican cambios de energiacuteaLa combustioacuten de la gasolina libera energiacutea
La separacioacuten del agua en hidroacutegeno y oxiacutegeno requiere energiacutea
El estudio de la energiacutea y sus transformaciones se
conoce como TERMO DINAacuteMICAThermeldquocalorrdquo
DynamisldquoPotenciardquo
La invencioacuten del termoacutemetro se atribuye a Galileo aunque el termoacutemetro sellado no aparecioacute hasta 1650
Los oriacutegenes de la Termodinaacutemica como ciencia podriacuteanestablecerse en la eacutepoca de la invencioacuten del termoacutemetro quese atribuye a Galileo En reacciones que se desarrollan bajo condiciones controladas la medicioacuten de las variaciones de temperatura permite deducir los intercambios de calor (calores de reaccioacuten)
Termoacutemetro de cristal basado en el principio fiacutesico de que la densidad de un liacutequido cambia seguacuten la temperatura descubierto por Galileo Galilei (1564-1642) En funcioacuten de los cambios de temperatura las bolas de cristal que se encuentran en el interior del termoacutemetro se desplazan hacia arriba o abajo generandose dos zonas una en la parte superior y otra en la parte inferiorCada bola lleva una placa grabada con la temperatura de correspondencia con la densidad del liacutequidoLa temperatura ambiente es mostrada por la bola mas baja del conjunto de bolas que se encuentra en la zona superior del termoacutemetroRango de 18 a 24ordmC (de 2 en 2 grados)
Los termoacutemetros modernos de alcohol y mercurio fueron inventados por el fiacutesico alemaacuten Gabriel Fahrenheit quien tambieacuten propuso la primera escala de temperaturas ampliamente adoptada que lleva su nombre Punto de fusioacuten del hielo 32ordmF
Punto de ebullicioacuten del agua 212ordmF
212-32=180(La magnitud del grado Fahrenheit es menor que la del grado centiacutegrado)
La escala centiacutegrada o Celsius fue disentildeada por el astroacutenomo sueco
Es utilizada en la mayoriacutea de los paiacutesesEl punto de congelacioacuten es 0 grados (0 ordmC) y el punto de ebullicioacuten es de 100 ordmC
Anders Celsius
Por uacuteltimo la escala de temperaturas absolutas o escala Kelvin tiene su cero a una temperatura de ndash27315ordmC 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 expresioacutenTK = TC + 27315
Este aacuterea de estudio se desarrolloacute mucho con la revolucioacuten industrial
Interesaba conocer las relaciones entre calor trabajo y el contenido energeacutetico de los combustibles
Maximizar el rendimiento de las maacutequinas de vapor
Cientiacuteficos quedestacaron por la realizacioacuten de investigaciones y descubrimientos muy relevantesen relacioacuten a la Termodinaacutemica fueron entre otros Boltzmann Carnot ClapeyronClausius Gibbs Helmholtz Hess Joule Kelvin Maxwellhellip
Sistema y medio ambiente Convenio de signos de
los intercambios energeacuteticos Condiciones estaacutendar
Pueden ocurrir intercambios demateria yo energiacutea entre sistema y medio ambiente pero eacutestos deben ser controlados
ldquoexperimentordquo
sistema
medio ambiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema
son positivos
Tanto el calor perdido
por el sistema como el
trabajo efectuado por
el sistema sobre su
entorno son negativos
El convenio de signos para los intercambios de energiacutea en forma de calor y trabajo entre sistema y medio ambiente es el siguiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema son positivos aumentan su energiacutea
Tanto el calor perdido por el sistema como el trabajo efectuado por el sistema sobre su entorno son negativos reducen la energiacutea del sistema
qgt0wgt0
qlt0wlt0
qgt0wgt0
qlt0wlt0
E
EL QUIacuteMICO ES EL SISTEMA y lo ve desde dentro
El FIacuteSICO lo ve desde fuera
El quiacutemico ve el sistema desde dentro como si EL fuese el sistema
Por ejemplo un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre ambas partes del universo
La Termodinaacutemica se relaciona con los estados de equilibrioUn estado de equilibrio es aqueacutel en el que las propiedades macroscoacutepicas del sistema temperatura densidad composicioacuten quiacutemica etc estaacuten bien definidas y no variacutean
La Termodinaacutemica permite discernir si es posible pasar de un estado de equilibrio a otro pero no la velocidad de dicha transformacioacuten
Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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 funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
FORMATObull ARIAL 12bull INTERLINIADO 15 williamrubergmailcom
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Fases de una sustancia pura
Son 3 principales (solido liquido gaseoso) una sustancia puede tener varias fases dentro de la principal cada una con distinta estructura molecularPor experiencia se sabe que las sustancias existen en fases diferentes a temperatura y presioacuten ambiente el cobre es un solido a temperatura ambiente el mercurio es un liquido a igual temperatura y en nitroacutegeno un gas pero en conclusiones distintas todos podriacutean encontrarse en diferentes fases
Liquido comprimidoEl agua existe en fase liquida y se le denomina ldquoliquido comprimidordquo lo cual significa que no esta apunto de evaporarse
Liquido saturadoUn liquido que esta apunto de evaporarse se llama ldquoliquido saturadordquo tenemos que tomar en cuenta que aun no existe una porcioacuten de vapor ya que en esta fase es cuando esta a punto de comenzar a crearse vapor
Vapor huacutemedoCuando nos referimos a vapor huacutemedo es en el momento en que consideramos cierto porcentaje de vapor en una mezcla (liquido-vapor) y suele denotarse con una X la cual se conoce como calidad
Vapor saturadoEs un vapor que esta en el punto en que se va a condensar Esta fase hace que la sustancia este completa como vapor y es necesario retirar calor
El diagrama PVT
Es la representacioacuten en el espacio tridimensional Presioacuten - Volumen especiacutefico -Temperatura de los estados posibles de un compuesto quiacutemico
Estos estados configuran en el espacio PVT una superficie discontinua debieacutendose las discontinuidades a los cambios de estado que sufre el compuesto al variarse las condiciones de presioacuten y temperatura que son las variables que suelen adoptarse como independientes en los estudios y caacutelculos termodinaacutemicos principalmente por la relativa sencillez de su medida
Vapor de aguaEl vapor de agua es un gas que se obtiene por evaporacioacuten o ebullicioacuten del agua liacutequida o por sublimacioacuten del hielo Es inodoro e incoloroMuy enrarecido el vapor de agua es responsable de la humedad ambiental En ciertas condiciones a alta concentracioacuten parte del agua que estaacute en forma el vapor se condensa constituyendo gotitas de agua liacutequida en suspensioacuten y asiacute se forma la niebla o a alturas mayores sobre el suelo nubes
Vapor de aguaNombre sistemaacutetico Vapor de agua
Estado liacutequido AguaEstado soacutelido Hielo nieve
Propiedades1
Punto de licuefaccioacuten 100 degCConstante individual gaseosa 4615 J(kgmiddotK)Calor latente de evaporacioacuten 227 MJkg
Masa molar 1802 gmolCalor especiacutefico 184 kJ(kgmiddotK)048 cal(gmiddotdegC)
El vapor de agua es un gas obtenido por evaporacioacuten de cierta cantidad de agua en estado liacutequido al igual que en el caso del aire seco es posible asumir que se comporta como gas ideal en intervalos de presioacuten y temperatura moderados generalmente inferiores a 003 bar y 65 deg C Bajo estas condiciones se calculan sus propiedades fiacutesicasVolumen especiacutefico del vapor de agua El volumen especiacutefico se encuentra en funcioacuten de la temperatura y presioacuten mediante la siguiente ecuacioacuten
Donde R toma el valor de 46152m3PakgK Vv es el volumen especiacutefico en m3kg pv es la presioacuten parcial del vapor de agua y T es la temperatura absoluta en KCalor especifico del vapor de agua Para un rango de temperatura entre -70degC y 120degC se ha encontrado que es posible trabajar con un calor especifico promedio para el vapor de agua de 186kJkgdegC Sin embargo recuerde que si requiere mayor exactitud es conveniente calcular este valor a traveacutes de la correlacioacuten polinoacutemica basada en la temperatura
TRABAJO Y CALOR
DEFINICIOacuteN DE TRABAJO Y CALOR
Son intercambios energeacuteticos que tienen lugar como consecuencia de las interacciones que pueden experimentar los sistemas termodinaacutemicos Tanto el calor como el trabajo son manifestaciones externas de la energiacutea y uacutenicamente se evidencian en las fronteras de los sistemas y solamente apareceraacuten cuando estos experimenten cambios en sus estados termodinaacutemicos
En las interacciones que experimentan los sistemas estos pueden recibir o ceder energiacutea La energiacutea se considera como una magnitud algebraica establecieacutendose el siguiente criterio trabajo que proporciona el sistema positivo y el que recibe negativo Asiacute mismo el calor suministrado al sistema se considera positivo y el cedido por eacutel negativo
Criterio de signos para el intercambio energeacutetico
TRABAJO
Definicioacuten mecaacutenica de trabajo
Es el producto de una fuerza por la distancia recorrida en la direccioacuten de la fuerza
Definicioacuten termodinaacutemica de trabajo
Un sistema realiza trabajo durante un proceso si el uacutenico efecto en el medio exterior pudiese ser el levantamiento de un peso Ejm un sistema formado por una bateriacutea y un motor En los liacutemites del sistema se observa el trabajo entregado por el motor a la rueda de paletas Si se sustituye la rueda de paletas por un conjunto de peso-polea el uacutenico efecto externo a la frontera del sistema seraacute el levantamiento de un peso
Ilustracioacuten del trabajo de la rueda de paletas
TRABAJO DE UN SISTEMA
Consideremos un arreglo cilindro-pistoacuten que encierra una cierta masa de gas que ejerce presioacuten sobre la cara del pistoacuten de superficie A Si el pistoacuten se desplaza hacia la izquierda debido a la aplicacioacuten de una fuerza F externa se diraacute que los alrededores ejercen trabajo sobre el gas y su valor infinitesimal seraacute
Dicieacutendose en este caso que el gas ha sido comprimido
Trabajo mecaacutenico que se asocia con el movimiento de la frontera de un dispositivo cilindro-pistoacuten
El trabajo se puede expresar como
En termodinaacutemica se dice que un sistema se encuentra en estado de equilibrio termodinaacutemico si es incapaz de experimentar espontaacuteneamente alguacuten cambio de estado o proceso termodinaacutemico cuando estaacute sometido a unas determinadas condiciones de contorno (las condiciones que le imponen sus alrededores) Para ello ha de encontrarse simultaacuteneamente en equilibrio teacutermico equilibrio mecaacutenico y equilibrio quiacutemico
TRABAJO CASI EN EQUILIBRIO
CALOR
Es la forma de energiacutea que se transmite a traveacutes del liacutemite de un sistema que estaacute a una temperatura a otro sistema (o al medio exterior) a una temperatura mas baja debido a la diferencia de temperatura entre los dos sistemas El calor es una funcioacuten de trayectoria y su diferencial es inexacta luego
COMPARACION ENTRE CALOR Y TRABAJO
Calor y trabajo son ambos fenoacutemenos transitorios Los sistemas nunca tienen calor o trabajo pero cualquiera o ambos cruzan los liacutemites del sistema cuando eacuteste sufre un cambio de estadoAmbos calor y trabajo son fenoacutemenos de liacutemite Ambos se observan solamente en los liacutemites del sistema y ambos representan la energiacutea que cruza el liacutemite del sistema
Ambos calor y trabajo son funciones de trayectoria y diferenciales inexactasPor conveccioacuten +Q representa calor transferido al sistema y que por tanto es energiacutea antildeadida en eacutel y +W representa trabajo efectuado por el sistema y esto representa energiacutea que sale de eacutel
lustracioacuten para indicar diferencia entre calor y trabajo
La energiacutea cruza los liacutemites del sistema porque la temperatura de las paredes es mayor que la temperatura del gas El calor cruza los liacutemites del sistema la electricidad cruza los liacutemites del sistema El trabajo cruza los liacutemites del sistema
La transferencia de calor es el proceso de propagacioacuten del calor en distintos medios La parte de la fiacutesica que estudia estos procesos se llama a su vez Transferencia de calor o Transmisioacuten de calor La transferencia de calor se produce siempre que existe un gradiente teacutermico o cuando dos sistemas con diferentes temperaturas se ponen en contacto El proceso persiste hasta alcanzar el equilibrio teacutermico es decir hasta que se igualan las temperaturas Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos o regiones lo suficientemente proacuteximas la transferencia de calor no puede ser detenida solo puede hacerse maacutes lenta
TRANSFERENCIA DE CALOR
Una barra al rojo vivo transfiere calor al ambiente principalmente por radiacioacuten teacutermica y en menor medida por conveccioacuten
La termodinaacutemica es la ciencia que estudia la relacioacuten entre el calor y otras formas de energiacutea El calor es energiacutea en traacutensito Siempre que existe un gradiente de temperatura en un sistema o se ponen en contacto dos sistemas a diferente temperatura se transfiere energiacutea entre ellos Sabemos de esta transferencia no porque la veamos sino por los cambios que se producen en el o los sistemas La Termodinaacutemica basaacutendose en los estados de cada sistema desde un punto de vista macroscoacutepico es decir en funcioacuten de atributos tales como la presioacuten la temperatura y el volumen que se pueden medir determina si ha habido cambios en la energiacutea interna de los mismos En cumplimiento del Primer principio y descartada la interaccioacuten de trabajo con el exterior la variacioacuten de energiacutea interna solo puede ser debida a calor es decir a transferencia de energiacutea de un sistema al otro
Pero los paraacutemetros macroscoacutepicos solo se pueden medir o tiene valor su medida si es homogeacutenea en todo el sistema lo que solo ocurre si estaacuten en equilibrio La termodinaacutemica por tanto se ocupa de los estados de equilibrio y en funcioacuten de sus diferencias determina la cantidad de energiacutea transferida de un estado al otro pero sin considerar el mecanismo de flujo de calor ni la velocidad a la que se ha realizado la transferencia En un anaacutelisis termodinaacutemico se sabe la cantidad de energiacutea necesaria para pasar de un estado al otro pero no se conoce cuaacutento tiempo ha requerido la transferencia porque el tiempo no se incluye como variable en el anaacutelisis1 Esto es objetivo de otra rama de la ciencia que se conoce como Transferencia de calor
La Transferencia de calor como ciencia tiene como objetivo calcular La velocidad de transferencia de calor para una diferencia de temperatura especiacutefica y no es una misioacuten baladiacute ya que casi cualquier rama de la ingenieriacutea encuentra problemas de transferencia de calor que no podriacutean ser resueltos con uacutenicamente el razonamiento termodinaacutemico
Imagen tomada de una computacioacuten de conveccioacuten en el manto terrestre los colores rojizos representan aacutereas maacutes calientes y los maacutes azules las maacutes friacuteas
bullConduccioacuten Es la transferencia de calor que se produce a traveacutes de un medio material por contacto directo entre sus partiacuteculas cuando existe una diferencia de temperatura y en virtud del movimiento de sus micro partiacuteculas El medio puede ser soacutelido liacutequido o gaseoso aunque en liacutequidos y gases solo se da la conduccioacuten pura si se excluye la posibilidad de conveccioacuten La cantidad de calor que se transfiere por conduccioacuten viene dada por la ley de Fourier Esta ley afirma que la velocidad de conduccioacuten de calor a traveacutes de un cuerpo por unidad de seccioacuten transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo
La conduccioacuten de calor o transmisioacuten de calor por conduccioacuten es un proceso de transmisioacuten de calor basado en el contacto directo entre los cuerpos sin intercambio de materia por el que el calor fluye desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura que estaacute en contacto con el primero La propiedad fiacutesica de los materiales que determina su capacidad para conducir el calor es la conductividad teacutermica La propiedad inversa de la conductividad teacutermica es la resistividad teacutermica que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor
El segundo principio de la termodinaacutemica determina que el calor soacutelo puede fluir de un cuerpo maacutes caliente a uno maacutes friacuteo la ley de Fourier fija cuantitativamente la relacioacuten entre el flujo y las variaciones espacial y temporal de la temperatura
bullConveccioacuten La transmisioacuten de calor por conveccioacuten se compone de dos mecanismos simultaacuteneos El primero es la transferencia de calor por conduccioacuten debida al movimiento molecular a la que se superpone la transferencia de energiacutea por el movimiento de fracciones del fluido que se mueven accionadas por una fuerza externa que puede ser un gradiente de densidad (conveccioacuten natural) o una diferencia de presioacuten producida mecaacutenicamente (conveccioacuten forzada) o una combinacioacuten de ambas La cantidad de calor transferido por conveccioacuten se rige por la ley de enfriamiento de Newton
bullRadiacioacuten se puede atribuir a cambios en las configuraciones electroacutenicas de los aacutetomos o moleacuteculas constitutivas En ausencia de un medio existe una transferencia neta de calor por radiacioacuten entre dos superficies a diferentes temperaturas debido a que todas las superficies con temperatura finita emiten energiacutea en forma de ondas electromagneacuteticas El calor emitido por una superficie en la unidad de tiempo viene dado por la ley de Stefan-Boltzmann
Se denomina radiacioacuten teacutermica o radiacioacuten caloriacutefica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura Todos los cuerpos emiten radiacioacuten electromagneacutetica siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada En lo que respecta a la transferencia de calor la radiacioacuten relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 01microm a 1000microm abarcando por tanto la regioacuten infrarroja del espectro electromagneacuteticoLa materia en un estado condensado (soacutelido o liacutequido) emite un espectro de radiacioacuten continuo La frecuencia de onda emitida por radiacioacuten teacutermica es una funcioacuten de densidad de probabilidad que depende solo de la temperatura
bullLa radiacioacuten infrarroja de un radiador domeacutestico comuacuten o de un calefactor eleacutectrico es un ejemplo de radiacioacuten teacutermicabullLa luz emitida por una laacutempara incandescente La radiacioacuten teacutermica se produce cuando el calor del movimiento de partiacuteculas cargadas dentro de los aacutetomos se convierte en radiacioacuten electromagneacutetica
bullLa aplicacioacuten de la ley de Planck al Sol con una temperatura superficial de unos 6000 K nos lleva a que el 99 de la radiacioacuten emitida estaacute entre las
longitudes de onda 015 (microacutemetros o micras) y 4 micras y su maacuteximo dado por la ley de Wien ocurre a 0475 micras Como 1 Aring = 10-10 m = 10-
4micras resulta que el Sol emite en un rango de 1500 Aring hasta 40000 Aring y el maacuteximo ocurre a 4750 Aring La luz visible se extiende desde 4000 Aring a 7400 Aring La radiacioacuten ultravioleta u ondas cortas iriacutean desde los 1500 Aring a los 4000 Aring y la radiacioacuten infrarroja o radiacioacuten teacutermica u ondas largas desde las 074 micras a 4 micras
Tipos de radiaciones
bullradiacioacuten de radiobullradiacioacuten de microondasbullradiacioacuten infrarrojabullradiacioacuten visiblebullradiacioacuten ultravioletabullradiacioacuten Xbullradiacioacuten gamma (es la que emite maacutes energiacutea y la maacutes peligrosa)
Comemos alimentos
Para mantener nuestras funciones bioloacutegicas
Quemamos combustibles
Para producir energiacutea eleacutectricaPara calentar nuestras casasPara generar potencia en aviones trenes automoacuteviles
Usamos cubitos de hielo
Para enfriar bebidas
Usamos calor Para convertir masa cruda en pan horneado
Todos estos ejemplos nos indican que las reacciones quiacutemicas tienen algo en comuacuten
Las reacciones quiacutemicas implican cambios de energiacuteaLa combustioacuten de la gasolina libera energiacutea
La separacioacuten del agua en hidroacutegeno y oxiacutegeno requiere energiacutea
El estudio de la energiacutea y sus transformaciones se
conoce como TERMO DINAacuteMICAThermeldquocalorrdquo
DynamisldquoPotenciardquo
La invencioacuten del termoacutemetro se atribuye a Galileo aunque el termoacutemetro sellado no aparecioacute hasta 1650
Los oriacutegenes de la Termodinaacutemica como ciencia podriacuteanestablecerse en la eacutepoca de la invencioacuten del termoacutemetro quese atribuye a Galileo En reacciones que se desarrollan bajo condiciones controladas la medicioacuten de las variaciones de temperatura permite deducir los intercambios de calor (calores de reaccioacuten)
Termoacutemetro de cristal basado en el principio fiacutesico de que la densidad de un liacutequido cambia seguacuten la temperatura descubierto por Galileo Galilei (1564-1642) En funcioacuten de los cambios de temperatura las bolas de cristal que se encuentran en el interior del termoacutemetro se desplazan hacia arriba o abajo generandose dos zonas una en la parte superior y otra en la parte inferiorCada bola lleva una placa grabada con la temperatura de correspondencia con la densidad del liacutequidoLa temperatura ambiente es mostrada por la bola mas baja del conjunto de bolas que se encuentra en la zona superior del termoacutemetroRango de 18 a 24ordmC (de 2 en 2 grados)
Los termoacutemetros modernos de alcohol y mercurio fueron inventados por el fiacutesico alemaacuten Gabriel Fahrenheit quien tambieacuten propuso la primera escala de temperaturas ampliamente adoptada que lleva su nombre Punto de fusioacuten del hielo 32ordmF
Punto de ebullicioacuten del agua 212ordmF
212-32=180(La magnitud del grado Fahrenheit es menor que la del grado centiacutegrado)
La escala centiacutegrada o Celsius fue disentildeada por el astroacutenomo sueco
Es utilizada en la mayoriacutea de los paiacutesesEl punto de congelacioacuten es 0 grados (0 ordmC) y el punto de ebullicioacuten es de 100 ordmC
Anders Celsius
Por uacuteltimo la escala de temperaturas absolutas o escala Kelvin tiene su cero a una temperatura de ndash27315ordmC 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 expresioacutenTK = TC + 27315
Este aacuterea de estudio se desarrolloacute mucho con la revolucioacuten industrial
Interesaba conocer las relaciones entre calor trabajo y el contenido energeacutetico de los combustibles
Maximizar el rendimiento de las maacutequinas de vapor
Cientiacuteficos quedestacaron por la realizacioacuten de investigaciones y descubrimientos muy relevantesen relacioacuten a la Termodinaacutemica fueron entre otros Boltzmann Carnot ClapeyronClausius Gibbs Helmholtz Hess Joule Kelvin Maxwellhellip
Sistema y medio ambiente Convenio de signos de
los intercambios energeacuteticos Condiciones estaacutendar
Pueden ocurrir intercambios demateria yo energiacutea entre sistema y medio ambiente pero eacutestos deben ser controlados
ldquoexperimentordquo
sistema
medio ambiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema
son positivos
Tanto el calor perdido
por el sistema como el
trabajo efectuado por
el sistema sobre su
entorno son negativos
El convenio de signos para los intercambios de energiacutea en forma de calor y trabajo entre sistema y medio ambiente es el siguiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema son positivos aumentan su energiacutea
Tanto el calor perdido por el sistema como el trabajo efectuado por el sistema sobre su entorno son negativos reducen la energiacutea del sistema
qgt0wgt0
qlt0wlt0
qgt0wgt0
qlt0wlt0
E
EL QUIacuteMICO ES EL SISTEMA y lo ve desde dentro
El FIacuteSICO lo ve desde fuera
El quiacutemico ve el sistema desde dentro como si EL fuese el sistema
Por ejemplo un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre ambas partes del universo
La Termodinaacutemica se relaciona con los estados de equilibrioUn estado de equilibrio es aqueacutel en el que las propiedades macroscoacutepicas del sistema temperatura densidad composicioacuten quiacutemica etc estaacuten bien definidas y no variacutean
La Termodinaacutemica permite discernir si es posible pasar de un estado de equilibrio a otro pero no la velocidad de dicha transformacioacuten
Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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 funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
FORMATObull ARIAL 12bull INTERLINIADO 15 williamrubergmailcom
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Liquido comprimidoEl agua existe en fase liquida y se le denomina ldquoliquido comprimidordquo lo cual significa que no esta apunto de evaporarse
Liquido saturadoUn liquido que esta apunto de evaporarse se llama ldquoliquido saturadordquo tenemos que tomar en cuenta que aun no existe una porcioacuten de vapor ya que en esta fase es cuando esta a punto de comenzar a crearse vapor
Vapor huacutemedoCuando nos referimos a vapor huacutemedo es en el momento en que consideramos cierto porcentaje de vapor en una mezcla (liquido-vapor) y suele denotarse con una X la cual se conoce como calidad
Vapor saturadoEs un vapor que esta en el punto en que se va a condensar Esta fase hace que la sustancia este completa como vapor y es necesario retirar calor
El diagrama PVT
Es la representacioacuten en el espacio tridimensional Presioacuten - Volumen especiacutefico -Temperatura de los estados posibles de un compuesto quiacutemico
Estos estados configuran en el espacio PVT una superficie discontinua debieacutendose las discontinuidades a los cambios de estado que sufre el compuesto al variarse las condiciones de presioacuten y temperatura que son las variables que suelen adoptarse como independientes en los estudios y caacutelculos termodinaacutemicos principalmente por la relativa sencillez de su medida
Vapor de aguaEl vapor de agua es un gas que se obtiene por evaporacioacuten o ebullicioacuten del agua liacutequida o por sublimacioacuten del hielo Es inodoro e incoloroMuy enrarecido el vapor de agua es responsable de la humedad ambiental En ciertas condiciones a alta concentracioacuten parte del agua que estaacute en forma el vapor se condensa constituyendo gotitas de agua liacutequida en suspensioacuten y asiacute se forma la niebla o a alturas mayores sobre el suelo nubes
Vapor de aguaNombre sistemaacutetico Vapor de agua
Estado liacutequido AguaEstado soacutelido Hielo nieve
Propiedades1
Punto de licuefaccioacuten 100 degCConstante individual gaseosa 4615 J(kgmiddotK)Calor latente de evaporacioacuten 227 MJkg
Masa molar 1802 gmolCalor especiacutefico 184 kJ(kgmiddotK)048 cal(gmiddotdegC)
El vapor de agua es un gas obtenido por evaporacioacuten de cierta cantidad de agua en estado liacutequido al igual que en el caso del aire seco es posible asumir que se comporta como gas ideal en intervalos de presioacuten y temperatura moderados generalmente inferiores a 003 bar y 65 deg C Bajo estas condiciones se calculan sus propiedades fiacutesicasVolumen especiacutefico del vapor de agua El volumen especiacutefico se encuentra en funcioacuten de la temperatura y presioacuten mediante la siguiente ecuacioacuten
Donde R toma el valor de 46152m3PakgK Vv es el volumen especiacutefico en m3kg pv es la presioacuten parcial del vapor de agua y T es la temperatura absoluta en KCalor especifico del vapor de agua Para un rango de temperatura entre -70degC y 120degC se ha encontrado que es posible trabajar con un calor especifico promedio para el vapor de agua de 186kJkgdegC Sin embargo recuerde que si requiere mayor exactitud es conveniente calcular este valor a traveacutes de la correlacioacuten polinoacutemica basada en la temperatura
TRABAJO Y CALOR
DEFINICIOacuteN DE TRABAJO Y CALOR
Son intercambios energeacuteticos que tienen lugar como consecuencia de las interacciones que pueden experimentar los sistemas termodinaacutemicos Tanto el calor como el trabajo son manifestaciones externas de la energiacutea y uacutenicamente se evidencian en las fronteras de los sistemas y solamente apareceraacuten cuando estos experimenten cambios en sus estados termodinaacutemicos
En las interacciones que experimentan los sistemas estos pueden recibir o ceder energiacutea La energiacutea se considera como una magnitud algebraica establecieacutendose el siguiente criterio trabajo que proporciona el sistema positivo y el que recibe negativo Asiacute mismo el calor suministrado al sistema se considera positivo y el cedido por eacutel negativo
Criterio de signos para el intercambio energeacutetico
TRABAJO
Definicioacuten mecaacutenica de trabajo
Es el producto de una fuerza por la distancia recorrida en la direccioacuten de la fuerza
Definicioacuten termodinaacutemica de trabajo
Un sistema realiza trabajo durante un proceso si el uacutenico efecto en el medio exterior pudiese ser el levantamiento de un peso Ejm un sistema formado por una bateriacutea y un motor En los liacutemites del sistema se observa el trabajo entregado por el motor a la rueda de paletas Si se sustituye la rueda de paletas por un conjunto de peso-polea el uacutenico efecto externo a la frontera del sistema seraacute el levantamiento de un peso
Ilustracioacuten del trabajo de la rueda de paletas
TRABAJO DE UN SISTEMA
Consideremos un arreglo cilindro-pistoacuten que encierra una cierta masa de gas que ejerce presioacuten sobre la cara del pistoacuten de superficie A Si el pistoacuten se desplaza hacia la izquierda debido a la aplicacioacuten de una fuerza F externa se diraacute que los alrededores ejercen trabajo sobre el gas y su valor infinitesimal seraacute
Dicieacutendose en este caso que el gas ha sido comprimido
Trabajo mecaacutenico que se asocia con el movimiento de la frontera de un dispositivo cilindro-pistoacuten
El trabajo se puede expresar como
En termodinaacutemica se dice que un sistema se encuentra en estado de equilibrio termodinaacutemico si es incapaz de experimentar espontaacuteneamente alguacuten cambio de estado o proceso termodinaacutemico cuando estaacute sometido a unas determinadas condiciones de contorno (las condiciones que le imponen sus alrededores) Para ello ha de encontrarse simultaacuteneamente en equilibrio teacutermico equilibrio mecaacutenico y equilibrio quiacutemico
TRABAJO CASI EN EQUILIBRIO
CALOR
Es la forma de energiacutea que se transmite a traveacutes del liacutemite de un sistema que estaacute a una temperatura a otro sistema (o al medio exterior) a una temperatura mas baja debido a la diferencia de temperatura entre los dos sistemas El calor es una funcioacuten de trayectoria y su diferencial es inexacta luego
COMPARACION ENTRE CALOR Y TRABAJO
Calor y trabajo son ambos fenoacutemenos transitorios Los sistemas nunca tienen calor o trabajo pero cualquiera o ambos cruzan los liacutemites del sistema cuando eacuteste sufre un cambio de estadoAmbos calor y trabajo son fenoacutemenos de liacutemite Ambos se observan solamente en los liacutemites del sistema y ambos representan la energiacutea que cruza el liacutemite del sistema
Ambos calor y trabajo son funciones de trayectoria y diferenciales inexactasPor conveccioacuten +Q representa calor transferido al sistema y que por tanto es energiacutea antildeadida en eacutel y +W representa trabajo efectuado por el sistema y esto representa energiacutea que sale de eacutel
lustracioacuten para indicar diferencia entre calor y trabajo
La energiacutea cruza los liacutemites del sistema porque la temperatura de las paredes es mayor que la temperatura del gas El calor cruza los liacutemites del sistema la electricidad cruza los liacutemites del sistema El trabajo cruza los liacutemites del sistema
La transferencia de calor es el proceso de propagacioacuten del calor en distintos medios La parte de la fiacutesica que estudia estos procesos se llama a su vez Transferencia de calor o Transmisioacuten de calor La transferencia de calor se produce siempre que existe un gradiente teacutermico o cuando dos sistemas con diferentes temperaturas se ponen en contacto El proceso persiste hasta alcanzar el equilibrio teacutermico es decir hasta que se igualan las temperaturas Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos o regiones lo suficientemente proacuteximas la transferencia de calor no puede ser detenida solo puede hacerse maacutes lenta
TRANSFERENCIA DE CALOR
Una barra al rojo vivo transfiere calor al ambiente principalmente por radiacioacuten teacutermica y en menor medida por conveccioacuten
La termodinaacutemica es la ciencia que estudia la relacioacuten entre el calor y otras formas de energiacutea El calor es energiacutea en traacutensito Siempre que existe un gradiente de temperatura en un sistema o se ponen en contacto dos sistemas a diferente temperatura se transfiere energiacutea entre ellos Sabemos de esta transferencia no porque la veamos sino por los cambios que se producen en el o los sistemas La Termodinaacutemica basaacutendose en los estados de cada sistema desde un punto de vista macroscoacutepico es decir en funcioacuten de atributos tales como la presioacuten la temperatura y el volumen que se pueden medir determina si ha habido cambios en la energiacutea interna de los mismos En cumplimiento del Primer principio y descartada la interaccioacuten de trabajo con el exterior la variacioacuten de energiacutea interna solo puede ser debida a calor es decir a transferencia de energiacutea de un sistema al otro
Pero los paraacutemetros macroscoacutepicos solo se pueden medir o tiene valor su medida si es homogeacutenea en todo el sistema lo que solo ocurre si estaacuten en equilibrio La termodinaacutemica por tanto se ocupa de los estados de equilibrio y en funcioacuten de sus diferencias determina la cantidad de energiacutea transferida de un estado al otro pero sin considerar el mecanismo de flujo de calor ni la velocidad a la que se ha realizado la transferencia En un anaacutelisis termodinaacutemico se sabe la cantidad de energiacutea necesaria para pasar de un estado al otro pero no se conoce cuaacutento tiempo ha requerido la transferencia porque el tiempo no se incluye como variable en el anaacutelisis1 Esto es objetivo de otra rama de la ciencia que se conoce como Transferencia de calor
La Transferencia de calor como ciencia tiene como objetivo calcular La velocidad de transferencia de calor para una diferencia de temperatura especiacutefica y no es una misioacuten baladiacute ya que casi cualquier rama de la ingenieriacutea encuentra problemas de transferencia de calor que no podriacutean ser resueltos con uacutenicamente el razonamiento termodinaacutemico
Imagen tomada de una computacioacuten de conveccioacuten en el manto terrestre los colores rojizos representan aacutereas maacutes calientes y los maacutes azules las maacutes friacuteas
bullConduccioacuten Es la transferencia de calor que se produce a traveacutes de un medio material por contacto directo entre sus partiacuteculas cuando existe una diferencia de temperatura y en virtud del movimiento de sus micro partiacuteculas El medio puede ser soacutelido liacutequido o gaseoso aunque en liacutequidos y gases solo se da la conduccioacuten pura si se excluye la posibilidad de conveccioacuten La cantidad de calor que se transfiere por conduccioacuten viene dada por la ley de Fourier Esta ley afirma que la velocidad de conduccioacuten de calor a traveacutes de un cuerpo por unidad de seccioacuten transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo
La conduccioacuten de calor o transmisioacuten de calor por conduccioacuten es un proceso de transmisioacuten de calor basado en el contacto directo entre los cuerpos sin intercambio de materia por el que el calor fluye desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura que estaacute en contacto con el primero La propiedad fiacutesica de los materiales que determina su capacidad para conducir el calor es la conductividad teacutermica La propiedad inversa de la conductividad teacutermica es la resistividad teacutermica que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor
El segundo principio de la termodinaacutemica determina que el calor soacutelo puede fluir de un cuerpo maacutes caliente a uno maacutes friacuteo la ley de Fourier fija cuantitativamente la relacioacuten entre el flujo y las variaciones espacial y temporal de la temperatura
bullConveccioacuten La transmisioacuten de calor por conveccioacuten se compone de dos mecanismos simultaacuteneos El primero es la transferencia de calor por conduccioacuten debida al movimiento molecular a la que se superpone la transferencia de energiacutea por el movimiento de fracciones del fluido que se mueven accionadas por una fuerza externa que puede ser un gradiente de densidad (conveccioacuten natural) o una diferencia de presioacuten producida mecaacutenicamente (conveccioacuten forzada) o una combinacioacuten de ambas La cantidad de calor transferido por conveccioacuten se rige por la ley de enfriamiento de Newton
bullRadiacioacuten se puede atribuir a cambios en las configuraciones electroacutenicas de los aacutetomos o moleacuteculas constitutivas En ausencia de un medio existe una transferencia neta de calor por radiacioacuten entre dos superficies a diferentes temperaturas debido a que todas las superficies con temperatura finita emiten energiacutea en forma de ondas electromagneacuteticas El calor emitido por una superficie en la unidad de tiempo viene dado por la ley de Stefan-Boltzmann
Se denomina radiacioacuten teacutermica o radiacioacuten caloriacutefica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura Todos los cuerpos emiten radiacioacuten electromagneacutetica siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada En lo que respecta a la transferencia de calor la radiacioacuten relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 01microm a 1000microm abarcando por tanto la regioacuten infrarroja del espectro electromagneacuteticoLa materia en un estado condensado (soacutelido o liacutequido) emite un espectro de radiacioacuten continuo La frecuencia de onda emitida por radiacioacuten teacutermica es una funcioacuten de densidad de probabilidad que depende solo de la temperatura
bullLa radiacioacuten infrarroja de un radiador domeacutestico comuacuten o de un calefactor eleacutectrico es un ejemplo de radiacioacuten teacutermicabullLa luz emitida por una laacutempara incandescente La radiacioacuten teacutermica se produce cuando el calor del movimiento de partiacuteculas cargadas dentro de los aacutetomos se convierte en radiacioacuten electromagneacutetica
bullLa aplicacioacuten de la ley de Planck al Sol con una temperatura superficial de unos 6000 K nos lleva a que el 99 de la radiacioacuten emitida estaacute entre las
longitudes de onda 015 (microacutemetros o micras) y 4 micras y su maacuteximo dado por la ley de Wien ocurre a 0475 micras Como 1 Aring = 10-10 m = 10-
4micras resulta que el Sol emite en un rango de 1500 Aring hasta 40000 Aring y el maacuteximo ocurre a 4750 Aring La luz visible se extiende desde 4000 Aring a 7400 Aring La radiacioacuten ultravioleta u ondas cortas iriacutean desde los 1500 Aring a los 4000 Aring y la radiacioacuten infrarroja o radiacioacuten teacutermica u ondas largas desde las 074 micras a 4 micras
Tipos de radiaciones
bullradiacioacuten de radiobullradiacioacuten de microondasbullradiacioacuten infrarrojabullradiacioacuten visiblebullradiacioacuten ultravioletabullradiacioacuten Xbullradiacioacuten gamma (es la que emite maacutes energiacutea y la maacutes peligrosa)
Comemos alimentos
Para mantener nuestras funciones bioloacutegicas
Quemamos combustibles
Para producir energiacutea eleacutectricaPara calentar nuestras casasPara generar potencia en aviones trenes automoacuteviles
Usamos cubitos de hielo
Para enfriar bebidas
Usamos calor Para convertir masa cruda en pan horneado
Todos estos ejemplos nos indican que las reacciones quiacutemicas tienen algo en comuacuten
Las reacciones quiacutemicas implican cambios de energiacuteaLa combustioacuten de la gasolina libera energiacutea
La separacioacuten del agua en hidroacutegeno y oxiacutegeno requiere energiacutea
El estudio de la energiacutea y sus transformaciones se
conoce como TERMO DINAacuteMICAThermeldquocalorrdquo
DynamisldquoPotenciardquo
La invencioacuten del termoacutemetro se atribuye a Galileo aunque el termoacutemetro sellado no aparecioacute hasta 1650
Los oriacutegenes de la Termodinaacutemica como ciencia podriacuteanestablecerse en la eacutepoca de la invencioacuten del termoacutemetro quese atribuye a Galileo En reacciones que se desarrollan bajo condiciones controladas la medicioacuten de las variaciones de temperatura permite deducir los intercambios de calor (calores de reaccioacuten)
Termoacutemetro de cristal basado en el principio fiacutesico de que la densidad de un liacutequido cambia seguacuten la temperatura descubierto por Galileo Galilei (1564-1642) En funcioacuten de los cambios de temperatura las bolas de cristal que se encuentran en el interior del termoacutemetro se desplazan hacia arriba o abajo generandose dos zonas una en la parte superior y otra en la parte inferiorCada bola lleva una placa grabada con la temperatura de correspondencia con la densidad del liacutequidoLa temperatura ambiente es mostrada por la bola mas baja del conjunto de bolas que se encuentra en la zona superior del termoacutemetroRango de 18 a 24ordmC (de 2 en 2 grados)
Los termoacutemetros modernos de alcohol y mercurio fueron inventados por el fiacutesico alemaacuten Gabriel Fahrenheit quien tambieacuten propuso la primera escala de temperaturas ampliamente adoptada que lleva su nombre Punto de fusioacuten del hielo 32ordmF
Punto de ebullicioacuten del agua 212ordmF
212-32=180(La magnitud del grado Fahrenheit es menor que la del grado centiacutegrado)
La escala centiacutegrada o Celsius fue disentildeada por el astroacutenomo sueco
Es utilizada en la mayoriacutea de los paiacutesesEl punto de congelacioacuten es 0 grados (0 ordmC) y el punto de ebullicioacuten es de 100 ordmC
Anders Celsius
Por uacuteltimo la escala de temperaturas absolutas o escala Kelvin tiene su cero a una temperatura de ndash27315ordmC 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 expresioacutenTK = TC + 27315
Este aacuterea de estudio se desarrolloacute mucho con la revolucioacuten industrial
Interesaba conocer las relaciones entre calor trabajo y el contenido energeacutetico de los combustibles
Maximizar el rendimiento de las maacutequinas de vapor
Cientiacuteficos quedestacaron por la realizacioacuten de investigaciones y descubrimientos muy relevantesen relacioacuten a la Termodinaacutemica fueron entre otros Boltzmann Carnot ClapeyronClausius Gibbs Helmholtz Hess Joule Kelvin Maxwellhellip
Sistema y medio ambiente Convenio de signos de
los intercambios energeacuteticos Condiciones estaacutendar
Pueden ocurrir intercambios demateria yo energiacutea entre sistema y medio ambiente pero eacutestos deben ser controlados
ldquoexperimentordquo
sistema
medio ambiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema
son positivos
Tanto el calor perdido
por el sistema como el
trabajo efectuado por
el sistema sobre su
entorno son negativos
El convenio de signos para los intercambios de energiacutea en forma de calor y trabajo entre sistema y medio ambiente es el siguiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema son positivos aumentan su energiacutea
Tanto el calor perdido por el sistema como el trabajo efectuado por el sistema sobre su entorno son negativos reducen la energiacutea del sistema
qgt0wgt0
qlt0wlt0
qgt0wgt0
qlt0wlt0
E
EL QUIacuteMICO ES EL SISTEMA y lo ve desde dentro
El FIacuteSICO lo ve desde fuera
El quiacutemico ve el sistema desde dentro como si EL fuese el sistema
Por ejemplo un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre ambas partes del universo
La Termodinaacutemica se relaciona con los estados de equilibrioUn estado de equilibrio es aqueacutel en el que las propiedades macroscoacutepicas del sistema temperatura densidad composicioacuten quiacutemica etc estaacuten bien definidas y no variacutean
La Termodinaacutemica permite discernir si es posible pasar de un estado de equilibrio a otro pero no la velocidad de dicha transformacioacuten
Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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 funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
FORMATObull ARIAL 12bull INTERLINIADO 15 williamrubergmailcom
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Vapor huacutemedoCuando nos referimos a vapor huacutemedo es en el momento en que consideramos cierto porcentaje de vapor en una mezcla (liquido-vapor) y suele denotarse con una X la cual se conoce como calidad
Vapor saturadoEs un vapor que esta en el punto en que se va a condensar Esta fase hace que la sustancia este completa como vapor y es necesario retirar calor
El diagrama PVT
Es la representacioacuten en el espacio tridimensional Presioacuten - Volumen especiacutefico -Temperatura de los estados posibles de un compuesto quiacutemico
Estos estados configuran en el espacio PVT una superficie discontinua debieacutendose las discontinuidades a los cambios de estado que sufre el compuesto al variarse las condiciones de presioacuten y temperatura que son las variables que suelen adoptarse como independientes en los estudios y caacutelculos termodinaacutemicos principalmente por la relativa sencillez de su medida
Vapor de aguaEl vapor de agua es un gas que se obtiene por evaporacioacuten o ebullicioacuten del agua liacutequida o por sublimacioacuten del hielo Es inodoro e incoloroMuy enrarecido el vapor de agua es responsable de la humedad ambiental En ciertas condiciones a alta concentracioacuten parte del agua que estaacute en forma el vapor se condensa constituyendo gotitas de agua liacutequida en suspensioacuten y asiacute se forma la niebla o a alturas mayores sobre el suelo nubes
Vapor de aguaNombre sistemaacutetico Vapor de agua
Estado liacutequido AguaEstado soacutelido Hielo nieve
Propiedades1
Punto de licuefaccioacuten 100 degCConstante individual gaseosa 4615 J(kgmiddotK)Calor latente de evaporacioacuten 227 MJkg
Masa molar 1802 gmolCalor especiacutefico 184 kJ(kgmiddotK)048 cal(gmiddotdegC)
El vapor de agua es un gas obtenido por evaporacioacuten de cierta cantidad de agua en estado liacutequido al igual que en el caso del aire seco es posible asumir que se comporta como gas ideal en intervalos de presioacuten y temperatura moderados generalmente inferiores a 003 bar y 65 deg C Bajo estas condiciones se calculan sus propiedades fiacutesicasVolumen especiacutefico del vapor de agua El volumen especiacutefico se encuentra en funcioacuten de la temperatura y presioacuten mediante la siguiente ecuacioacuten
Donde R toma el valor de 46152m3PakgK Vv es el volumen especiacutefico en m3kg pv es la presioacuten parcial del vapor de agua y T es la temperatura absoluta en KCalor especifico del vapor de agua Para un rango de temperatura entre -70degC y 120degC se ha encontrado que es posible trabajar con un calor especifico promedio para el vapor de agua de 186kJkgdegC Sin embargo recuerde que si requiere mayor exactitud es conveniente calcular este valor a traveacutes de la correlacioacuten polinoacutemica basada en la temperatura
TRABAJO Y CALOR
DEFINICIOacuteN DE TRABAJO Y CALOR
Son intercambios energeacuteticos que tienen lugar como consecuencia de las interacciones que pueden experimentar los sistemas termodinaacutemicos Tanto el calor como el trabajo son manifestaciones externas de la energiacutea y uacutenicamente se evidencian en las fronteras de los sistemas y solamente apareceraacuten cuando estos experimenten cambios en sus estados termodinaacutemicos
En las interacciones que experimentan los sistemas estos pueden recibir o ceder energiacutea La energiacutea se considera como una magnitud algebraica establecieacutendose el siguiente criterio trabajo que proporciona el sistema positivo y el que recibe negativo Asiacute mismo el calor suministrado al sistema se considera positivo y el cedido por eacutel negativo
Criterio de signos para el intercambio energeacutetico
TRABAJO
Definicioacuten mecaacutenica de trabajo
Es el producto de una fuerza por la distancia recorrida en la direccioacuten de la fuerza
Definicioacuten termodinaacutemica de trabajo
Un sistema realiza trabajo durante un proceso si el uacutenico efecto en el medio exterior pudiese ser el levantamiento de un peso Ejm un sistema formado por una bateriacutea y un motor En los liacutemites del sistema se observa el trabajo entregado por el motor a la rueda de paletas Si se sustituye la rueda de paletas por un conjunto de peso-polea el uacutenico efecto externo a la frontera del sistema seraacute el levantamiento de un peso
Ilustracioacuten del trabajo de la rueda de paletas
TRABAJO DE UN SISTEMA
Consideremos un arreglo cilindro-pistoacuten que encierra una cierta masa de gas que ejerce presioacuten sobre la cara del pistoacuten de superficie A Si el pistoacuten se desplaza hacia la izquierda debido a la aplicacioacuten de una fuerza F externa se diraacute que los alrededores ejercen trabajo sobre el gas y su valor infinitesimal seraacute
Dicieacutendose en este caso que el gas ha sido comprimido
Trabajo mecaacutenico que se asocia con el movimiento de la frontera de un dispositivo cilindro-pistoacuten
El trabajo se puede expresar como
En termodinaacutemica se dice que un sistema se encuentra en estado de equilibrio termodinaacutemico si es incapaz de experimentar espontaacuteneamente alguacuten cambio de estado o proceso termodinaacutemico cuando estaacute sometido a unas determinadas condiciones de contorno (las condiciones que le imponen sus alrededores) Para ello ha de encontrarse simultaacuteneamente en equilibrio teacutermico equilibrio mecaacutenico y equilibrio quiacutemico
TRABAJO CASI EN EQUILIBRIO
CALOR
Es la forma de energiacutea que se transmite a traveacutes del liacutemite de un sistema que estaacute a una temperatura a otro sistema (o al medio exterior) a una temperatura mas baja debido a la diferencia de temperatura entre los dos sistemas El calor es una funcioacuten de trayectoria y su diferencial es inexacta luego
COMPARACION ENTRE CALOR Y TRABAJO
Calor y trabajo son ambos fenoacutemenos transitorios Los sistemas nunca tienen calor o trabajo pero cualquiera o ambos cruzan los liacutemites del sistema cuando eacuteste sufre un cambio de estadoAmbos calor y trabajo son fenoacutemenos de liacutemite Ambos se observan solamente en los liacutemites del sistema y ambos representan la energiacutea que cruza el liacutemite del sistema
Ambos calor y trabajo son funciones de trayectoria y diferenciales inexactasPor conveccioacuten +Q representa calor transferido al sistema y que por tanto es energiacutea antildeadida en eacutel y +W representa trabajo efectuado por el sistema y esto representa energiacutea que sale de eacutel
lustracioacuten para indicar diferencia entre calor y trabajo
La energiacutea cruza los liacutemites del sistema porque la temperatura de las paredes es mayor que la temperatura del gas El calor cruza los liacutemites del sistema la electricidad cruza los liacutemites del sistema El trabajo cruza los liacutemites del sistema
La transferencia de calor es el proceso de propagacioacuten del calor en distintos medios La parte de la fiacutesica que estudia estos procesos se llama a su vez Transferencia de calor o Transmisioacuten de calor La transferencia de calor se produce siempre que existe un gradiente teacutermico o cuando dos sistemas con diferentes temperaturas se ponen en contacto El proceso persiste hasta alcanzar el equilibrio teacutermico es decir hasta que se igualan las temperaturas Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos o regiones lo suficientemente proacuteximas la transferencia de calor no puede ser detenida solo puede hacerse maacutes lenta
TRANSFERENCIA DE CALOR
Una barra al rojo vivo transfiere calor al ambiente principalmente por radiacioacuten teacutermica y en menor medida por conveccioacuten
La termodinaacutemica es la ciencia que estudia la relacioacuten entre el calor y otras formas de energiacutea El calor es energiacutea en traacutensito Siempre que existe un gradiente de temperatura en un sistema o se ponen en contacto dos sistemas a diferente temperatura se transfiere energiacutea entre ellos Sabemos de esta transferencia no porque la veamos sino por los cambios que se producen en el o los sistemas La Termodinaacutemica basaacutendose en los estados de cada sistema desde un punto de vista macroscoacutepico es decir en funcioacuten de atributos tales como la presioacuten la temperatura y el volumen que se pueden medir determina si ha habido cambios en la energiacutea interna de los mismos En cumplimiento del Primer principio y descartada la interaccioacuten de trabajo con el exterior la variacioacuten de energiacutea interna solo puede ser debida a calor es decir a transferencia de energiacutea de un sistema al otro
Pero los paraacutemetros macroscoacutepicos solo se pueden medir o tiene valor su medida si es homogeacutenea en todo el sistema lo que solo ocurre si estaacuten en equilibrio La termodinaacutemica por tanto se ocupa de los estados de equilibrio y en funcioacuten de sus diferencias determina la cantidad de energiacutea transferida de un estado al otro pero sin considerar el mecanismo de flujo de calor ni la velocidad a la que se ha realizado la transferencia En un anaacutelisis termodinaacutemico se sabe la cantidad de energiacutea necesaria para pasar de un estado al otro pero no se conoce cuaacutento tiempo ha requerido la transferencia porque el tiempo no se incluye como variable en el anaacutelisis1 Esto es objetivo de otra rama de la ciencia que se conoce como Transferencia de calor
La Transferencia de calor como ciencia tiene como objetivo calcular La velocidad de transferencia de calor para una diferencia de temperatura especiacutefica y no es una misioacuten baladiacute ya que casi cualquier rama de la ingenieriacutea encuentra problemas de transferencia de calor que no podriacutean ser resueltos con uacutenicamente el razonamiento termodinaacutemico
Imagen tomada de una computacioacuten de conveccioacuten en el manto terrestre los colores rojizos representan aacutereas maacutes calientes y los maacutes azules las maacutes friacuteas
bullConduccioacuten Es la transferencia de calor que se produce a traveacutes de un medio material por contacto directo entre sus partiacuteculas cuando existe una diferencia de temperatura y en virtud del movimiento de sus micro partiacuteculas El medio puede ser soacutelido liacutequido o gaseoso aunque en liacutequidos y gases solo se da la conduccioacuten pura si se excluye la posibilidad de conveccioacuten La cantidad de calor que se transfiere por conduccioacuten viene dada por la ley de Fourier Esta ley afirma que la velocidad de conduccioacuten de calor a traveacutes de un cuerpo por unidad de seccioacuten transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo
La conduccioacuten de calor o transmisioacuten de calor por conduccioacuten es un proceso de transmisioacuten de calor basado en el contacto directo entre los cuerpos sin intercambio de materia por el que el calor fluye desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura que estaacute en contacto con el primero La propiedad fiacutesica de los materiales que determina su capacidad para conducir el calor es la conductividad teacutermica La propiedad inversa de la conductividad teacutermica es la resistividad teacutermica que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor
El segundo principio de la termodinaacutemica determina que el calor soacutelo puede fluir de un cuerpo maacutes caliente a uno maacutes friacuteo la ley de Fourier fija cuantitativamente la relacioacuten entre el flujo y las variaciones espacial y temporal de la temperatura
bullConveccioacuten La transmisioacuten de calor por conveccioacuten se compone de dos mecanismos simultaacuteneos El primero es la transferencia de calor por conduccioacuten debida al movimiento molecular a la que se superpone la transferencia de energiacutea por el movimiento de fracciones del fluido que se mueven accionadas por una fuerza externa que puede ser un gradiente de densidad (conveccioacuten natural) o una diferencia de presioacuten producida mecaacutenicamente (conveccioacuten forzada) o una combinacioacuten de ambas La cantidad de calor transferido por conveccioacuten se rige por la ley de enfriamiento de Newton
bullRadiacioacuten se puede atribuir a cambios en las configuraciones electroacutenicas de los aacutetomos o moleacuteculas constitutivas En ausencia de un medio existe una transferencia neta de calor por radiacioacuten entre dos superficies a diferentes temperaturas debido a que todas las superficies con temperatura finita emiten energiacutea en forma de ondas electromagneacuteticas El calor emitido por una superficie en la unidad de tiempo viene dado por la ley de Stefan-Boltzmann
Se denomina radiacioacuten teacutermica o radiacioacuten caloriacutefica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura Todos los cuerpos emiten radiacioacuten electromagneacutetica siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada En lo que respecta a la transferencia de calor la radiacioacuten relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 01microm a 1000microm abarcando por tanto la regioacuten infrarroja del espectro electromagneacuteticoLa materia en un estado condensado (soacutelido o liacutequido) emite un espectro de radiacioacuten continuo La frecuencia de onda emitida por radiacioacuten teacutermica es una funcioacuten de densidad de probabilidad que depende solo de la temperatura
bullLa radiacioacuten infrarroja de un radiador domeacutestico comuacuten o de un calefactor eleacutectrico es un ejemplo de radiacioacuten teacutermicabullLa luz emitida por una laacutempara incandescente La radiacioacuten teacutermica se produce cuando el calor del movimiento de partiacuteculas cargadas dentro de los aacutetomos se convierte en radiacioacuten electromagneacutetica
bullLa aplicacioacuten de la ley de Planck al Sol con una temperatura superficial de unos 6000 K nos lleva a que el 99 de la radiacioacuten emitida estaacute entre las
longitudes de onda 015 (microacutemetros o micras) y 4 micras y su maacuteximo dado por la ley de Wien ocurre a 0475 micras Como 1 Aring = 10-10 m = 10-
4micras resulta que el Sol emite en un rango de 1500 Aring hasta 40000 Aring y el maacuteximo ocurre a 4750 Aring La luz visible se extiende desde 4000 Aring a 7400 Aring La radiacioacuten ultravioleta u ondas cortas iriacutean desde los 1500 Aring a los 4000 Aring y la radiacioacuten infrarroja o radiacioacuten teacutermica u ondas largas desde las 074 micras a 4 micras
Tipos de radiaciones
bullradiacioacuten de radiobullradiacioacuten de microondasbullradiacioacuten infrarrojabullradiacioacuten visiblebullradiacioacuten ultravioletabullradiacioacuten Xbullradiacioacuten gamma (es la que emite maacutes energiacutea y la maacutes peligrosa)
Comemos alimentos
Para mantener nuestras funciones bioloacutegicas
Quemamos combustibles
Para producir energiacutea eleacutectricaPara calentar nuestras casasPara generar potencia en aviones trenes automoacuteviles
Usamos cubitos de hielo
Para enfriar bebidas
Usamos calor Para convertir masa cruda en pan horneado
Todos estos ejemplos nos indican que las reacciones quiacutemicas tienen algo en comuacuten
Las reacciones quiacutemicas implican cambios de energiacuteaLa combustioacuten de la gasolina libera energiacutea
La separacioacuten del agua en hidroacutegeno y oxiacutegeno requiere energiacutea
El estudio de la energiacutea y sus transformaciones se
conoce como TERMO DINAacuteMICAThermeldquocalorrdquo
DynamisldquoPotenciardquo
La invencioacuten del termoacutemetro se atribuye a Galileo aunque el termoacutemetro sellado no aparecioacute hasta 1650
Los oriacutegenes de la Termodinaacutemica como ciencia podriacuteanestablecerse en la eacutepoca de la invencioacuten del termoacutemetro quese atribuye a Galileo En reacciones que se desarrollan bajo condiciones controladas la medicioacuten de las variaciones de temperatura permite deducir los intercambios de calor (calores de reaccioacuten)
Termoacutemetro de cristal basado en el principio fiacutesico de que la densidad de un liacutequido cambia seguacuten la temperatura descubierto por Galileo Galilei (1564-1642) En funcioacuten de los cambios de temperatura las bolas de cristal que se encuentran en el interior del termoacutemetro se desplazan hacia arriba o abajo generandose dos zonas una en la parte superior y otra en la parte inferiorCada bola lleva una placa grabada con la temperatura de correspondencia con la densidad del liacutequidoLa temperatura ambiente es mostrada por la bola mas baja del conjunto de bolas que se encuentra en la zona superior del termoacutemetroRango de 18 a 24ordmC (de 2 en 2 grados)
Los termoacutemetros modernos de alcohol y mercurio fueron inventados por el fiacutesico alemaacuten Gabriel Fahrenheit quien tambieacuten propuso la primera escala de temperaturas ampliamente adoptada que lleva su nombre Punto de fusioacuten del hielo 32ordmF
Punto de ebullicioacuten del agua 212ordmF
212-32=180(La magnitud del grado Fahrenheit es menor que la del grado centiacutegrado)
La escala centiacutegrada o Celsius fue disentildeada por el astroacutenomo sueco
Es utilizada en la mayoriacutea de los paiacutesesEl punto de congelacioacuten es 0 grados (0 ordmC) y el punto de ebullicioacuten es de 100 ordmC
Anders Celsius
Por uacuteltimo la escala de temperaturas absolutas o escala Kelvin tiene su cero a una temperatura de ndash27315ordmC 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 expresioacutenTK = TC + 27315
Este aacuterea de estudio se desarrolloacute mucho con la revolucioacuten industrial
Interesaba conocer las relaciones entre calor trabajo y el contenido energeacutetico de los combustibles
Maximizar el rendimiento de las maacutequinas de vapor
Cientiacuteficos quedestacaron por la realizacioacuten de investigaciones y descubrimientos muy relevantesen relacioacuten a la Termodinaacutemica fueron entre otros Boltzmann Carnot ClapeyronClausius Gibbs Helmholtz Hess Joule Kelvin Maxwellhellip
Sistema y medio ambiente Convenio de signos de
los intercambios energeacuteticos Condiciones estaacutendar
Pueden ocurrir intercambios demateria yo energiacutea entre sistema y medio ambiente pero eacutestos deben ser controlados
ldquoexperimentordquo
sistema
medio ambiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema
son positivos
Tanto el calor perdido
por el sistema como el
trabajo efectuado por
el sistema sobre su
entorno son negativos
El convenio de signos para los intercambios de energiacutea en forma de calor y trabajo entre sistema y medio ambiente es el siguiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema son positivos aumentan su energiacutea
Tanto el calor perdido por el sistema como el trabajo efectuado por el sistema sobre su entorno son negativos reducen la energiacutea del sistema
qgt0wgt0
qlt0wlt0
qgt0wgt0
qlt0wlt0
E
EL QUIacuteMICO ES EL SISTEMA y lo ve desde dentro
El FIacuteSICO lo ve desde fuera
El quiacutemico ve el sistema desde dentro como si EL fuese el sistema
Por ejemplo un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre ambas partes del universo
La Termodinaacutemica se relaciona con los estados de equilibrioUn estado de equilibrio es aqueacutel en el que las propiedades macroscoacutepicas del sistema temperatura densidad composicioacuten quiacutemica etc estaacuten bien definidas y no variacutean
La Termodinaacutemica permite discernir si es posible pasar de un estado de equilibrio a otro pero no la velocidad de dicha transformacioacuten
Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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 funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
FORMATObull ARIAL 12bull INTERLINIADO 15 williamrubergmailcom
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El diagrama PVT
Es la representacioacuten en el espacio tridimensional Presioacuten - Volumen especiacutefico -Temperatura de los estados posibles de un compuesto quiacutemico
Estos estados configuran en el espacio PVT una superficie discontinua debieacutendose las discontinuidades a los cambios de estado que sufre el compuesto al variarse las condiciones de presioacuten y temperatura que son las variables que suelen adoptarse como independientes en los estudios y caacutelculos termodinaacutemicos principalmente por la relativa sencillez de su medida
Vapor de aguaEl vapor de agua es un gas que se obtiene por evaporacioacuten o ebullicioacuten del agua liacutequida o por sublimacioacuten del hielo Es inodoro e incoloroMuy enrarecido el vapor de agua es responsable de la humedad ambiental En ciertas condiciones a alta concentracioacuten parte del agua que estaacute en forma el vapor se condensa constituyendo gotitas de agua liacutequida en suspensioacuten y asiacute se forma la niebla o a alturas mayores sobre el suelo nubes
Vapor de aguaNombre sistemaacutetico Vapor de agua
Estado liacutequido AguaEstado soacutelido Hielo nieve
Propiedades1
Punto de licuefaccioacuten 100 degCConstante individual gaseosa 4615 J(kgmiddotK)Calor latente de evaporacioacuten 227 MJkg
Masa molar 1802 gmolCalor especiacutefico 184 kJ(kgmiddotK)048 cal(gmiddotdegC)
El vapor de agua es un gas obtenido por evaporacioacuten de cierta cantidad de agua en estado liacutequido al igual que en el caso del aire seco es posible asumir que se comporta como gas ideal en intervalos de presioacuten y temperatura moderados generalmente inferiores a 003 bar y 65 deg C Bajo estas condiciones se calculan sus propiedades fiacutesicasVolumen especiacutefico del vapor de agua El volumen especiacutefico se encuentra en funcioacuten de la temperatura y presioacuten mediante la siguiente ecuacioacuten
Donde R toma el valor de 46152m3PakgK Vv es el volumen especiacutefico en m3kg pv es la presioacuten parcial del vapor de agua y T es la temperatura absoluta en KCalor especifico del vapor de agua Para un rango de temperatura entre -70degC y 120degC se ha encontrado que es posible trabajar con un calor especifico promedio para el vapor de agua de 186kJkgdegC Sin embargo recuerde que si requiere mayor exactitud es conveniente calcular este valor a traveacutes de la correlacioacuten polinoacutemica basada en la temperatura
TRABAJO Y CALOR
DEFINICIOacuteN DE TRABAJO Y CALOR
Son intercambios energeacuteticos que tienen lugar como consecuencia de las interacciones que pueden experimentar los sistemas termodinaacutemicos Tanto el calor como el trabajo son manifestaciones externas de la energiacutea y uacutenicamente se evidencian en las fronteras de los sistemas y solamente apareceraacuten cuando estos experimenten cambios en sus estados termodinaacutemicos
En las interacciones que experimentan los sistemas estos pueden recibir o ceder energiacutea La energiacutea se considera como una magnitud algebraica establecieacutendose el siguiente criterio trabajo que proporciona el sistema positivo y el que recibe negativo Asiacute mismo el calor suministrado al sistema se considera positivo y el cedido por eacutel negativo
Criterio de signos para el intercambio energeacutetico
TRABAJO
Definicioacuten mecaacutenica de trabajo
Es el producto de una fuerza por la distancia recorrida en la direccioacuten de la fuerza
Definicioacuten termodinaacutemica de trabajo
Un sistema realiza trabajo durante un proceso si el uacutenico efecto en el medio exterior pudiese ser el levantamiento de un peso Ejm un sistema formado por una bateriacutea y un motor En los liacutemites del sistema se observa el trabajo entregado por el motor a la rueda de paletas Si se sustituye la rueda de paletas por un conjunto de peso-polea el uacutenico efecto externo a la frontera del sistema seraacute el levantamiento de un peso
Ilustracioacuten del trabajo de la rueda de paletas
TRABAJO DE UN SISTEMA
Consideremos un arreglo cilindro-pistoacuten que encierra una cierta masa de gas que ejerce presioacuten sobre la cara del pistoacuten de superficie A Si el pistoacuten se desplaza hacia la izquierda debido a la aplicacioacuten de una fuerza F externa se diraacute que los alrededores ejercen trabajo sobre el gas y su valor infinitesimal seraacute
Dicieacutendose en este caso que el gas ha sido comprimido
Trabajo mecaacutenico que se asocia con el movimiento de la frontera de un dispositivo cilindro-pistoacuten
El trabajo se puede expresar como
En termodinaacutemica se dice que un sistema se encuentra en estado de equilibrio termodinaacutemico si es incapaz de experimentar espontaacuteneamente alguacuten cambio de estado o proceso termodinaacutemico cuando estaacute sometido a unas determinadas condiciones de contorno (las condiciones que le imponen sus alrededores) Para ello ha de encontrarse simultaacuteneamente en equilibrio teacutermico equilibrio mecaacutenico y equilibrio quiacutemico
TRABAJO CASI EN EQUILIBRIO
CALOR
Es la forma de energiacutea que se transmite a traveacutes del liacutemite de un sistema que estaacute a una temperatura a otro sistema (o al medio exterior) a una temperatura mas baja debido a la diferencia de temperatura entre los dos sistemas El calor es una funcioacuten de trayectoria y su diferencial es inexacta luego
COMPARACION ENTRE CALOR Y TRABAJO
Calor y trabajo son ambos fenoacutemenos transitorios Los sistemas nunca tienen calor o trabajo pero cualquiera o ambos cruzan los liacutemites del sistema cuando eacuteste sufre un cambio de estadoAmbos calor y trabajo son fenoacutemenos de liacutemite Ambos se observan solamente en los liacutemites del sistema y ambos representan la energiacutea que cruza el liacutemite del sistema
Ambos calor y trabajo son funciones de trayectoria y diferenciales inexactasPor conveccioacuten +Q representa calor transferido al sistema y que por tanto es energiacutea antildeadida en eacutel y +W representa trabajo efectuado por el sistema y esto representa energiacutea que sale de eacutel
lustracioacuten para indicar diferencia entre calor y trabajo
La energiacutea cruza los liacutemites del sistema porque la temperatura de las paredes es mayor que la temperatura del gas El calor cruza los liacutemites del sistema la electricidad cruza los liacutemites del sistema El trabajo cruza los liacutemites del sistema
La transferencia de calor es el proceso de propagacioacuten del calor en distintos medios La parte de la fiacutesica que estudia estos procesos se llama a su vez Transferencia de calor o Transmisioacuten de calor La transferencia de calor se produce siempre que existe un gradiente teacutermico o cuando dos sistemas con diferentes temperaturas se ponen en contacto El proceso persiste hasta alcanzar el equilibrio teacutermico es decir hasta que se igualan las temperaturas Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos o regiones lo suficientemente proacuteximas la transferencia de calor no puede ser detenida solo puede hacerse maacutes lenta
TRANSFERENCIA DE CALOR
Una barra al rojo vivo transfiere calor al ambiente principalmente por radiacioacuten teacutermica y en menor medida por conveccioacuten
La termodinaacutemica es la ciencia que estudia la relacioacuten entre el calor y otras formas de energiacutea El calor es energiacutea en traacutensito Siempre que existe un gradiente de temperatura en un sistema o se ponen en contacto dos sistemas a diferente temperatura se transfiere energiacutea entre ellos Sabemos de esta transferencia no porque la veamos sino por los cambios que se producen en el o los sistemas La Termodinaacutemica basaacutendose en los estados de cada sistema desde un punto de vista macroscoacutepico es decir en funcioacuten de atributos tales como la presioacuten la temperatura y el volumen que se pueden medir determina si ha habido cambios en la energiacutea interna de los mismos En cumplimiento del Primer principio y descartada la interaccioacuten de trabajo con el exterior la variacioacuten de energiacutea interna solo puede ser debida a calor es decir a transferencia de energiacutea de un sistema al otro
Pero los paraacutemetros macroscoacutepicos solo se pueden medir o tiene valor su medida si es homogeacutenea en todo el sistema lo que solo ocurre si estaacuten en equilibrio La termodinaacutemica por tanto se ocupa de los estados de equilibrio y en funcioacuten de sus diferencias determina la cantidad de energiacutea transferida de un estado al otro pero sin considerar el mecanismo de flujo de calor ni la velocidad a la que se ha realizado la transferencia En un anaacutelisis termodinaacutemico se sabe la cantidad de energiacutea necesaria para pasar de un estado al otro pero no se conoce cuaacutento tiempo ha requerido la transferencia porque el tiempo no se incluye como variable en el anaacutelisis1 Esto es objetivo de otra rama de la ciencia que se conoce como Transferencia de calor
La Transferencia de calor como ciencia tiene como objetivo calcular La velocidad de transferencia de calor para una diferencia de temperatura especiacutefica y no es una misioacuten baladiacute ya que casi cualquier rama de la ingenieriacutea encuentra problemas de transferencia de calor que no podriacutean ser resueltos con uacutenicamente el razonamiento termodinaacutemico
Imagen tomada de una computacioacuten de conveccioacuten en el manto terrestre los colores rojizos representan aacutereas maacutes calientes y los maacutes azules las maacutes friacuteas
bullConduccioacuten Es la transferencia de calor que se produce a traveacutes de un medio material por contacto directo entre sus partiacuteculas cuando existe una diferencia de temperatura y en virtud del movimiento de sus micro partiacuteculas El medio puede ser soacutelido liacutequido o gaseoso aunque en liacutequidos y gases solo se da la conduccioacuten pura si se excluye la posibilidad de conveccioacuten La cantidad de calor que se transfiere por conduccioacuten viene dada por la ley de Fourier Esta ley afirma que la velocidad de conduccioacuten de calor a traveacutes de un cuerpo por unidad de seccioacuten transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo
La conduccioacuten de calor o transmisioacuten de calor por conduccioacuten es un proceso de transmisioacuten de calor basado en el contacto directo entre los cuerpos sin intercambio de materia por el que el calor fluye desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura que estaacute en contacto con el primero La propiedad fiacutesica de los materiales que determina su capacidad para conducir el calor es la conductividad teacutermica La propiedad inversa de la conductividad teacutermica es la resistividad teacutermica que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor
El segundo principio de la termodinaacutemica determina que el calor soacutelo puede fluir de un cuerpo maacutes caliente a uno maacutes friacuteo la ley de Fourier fija cuantitativamente la relacioacuten entre el flujo y las variaciones espacial y temporal de la temperatura
bullConveccioacuten La transmisioacuten de calor por conveccioacuten se compone de dos mecanismos simultaacuteneos El primero es la transferencia de calor por conduccioacuten debida al movimiento molecular a la que se superpone la transferencia de energiacutea por el movimiento de fracciones del fluido que se mueven accionadas por una fuerza externa que puede ser un gradiente de densidad (conveccioacuten natural) o una diferencia de presioacuten producida mecaacutenicamente (conveccioacuten forzada) o una combinacioacuten de ambas La cantidad de calor transferido por conveccioacuten se rige por la ley de enfriamiento de Newton
bullRadiacioacuten se puede atribuir a cambios en las configuraciones electroacutenicas de los aacutetomos o moleacuteculas constitutivas En ausencia de un medio existe una transferencia neta de calor por radiacioacuten entre dos superficies a diferentes temperaturas debido a que todas las superficies con temperatura finita emiten energiacutea en forma de ondas electromagneacuteticas El calor emitido por una superficie en la unidad de tiempo viene dado por la ley de Stefan-Boltzmann
Se denomina radiacioacuten teacutermica o radiacioacuten caloriacutefica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura Todos los cuerpos emiten radiacioacuten electromagneacutetica siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada En lo que respecta a la transferencia de calor la radiacioacuten relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 01microm a 1000microm abarcando por tanto la regioacuten infrarroja del espectro electromagneacuteticoLa materia en un estado condensado (soacutelido o liacutequido) emite un espectro de radiacioacuten continuo La frecuencia de onda emitida por radiacioacuten teacutermica es una funcioacuten de densidad de probabilidad que depende solo de la temperatura
bullLa radiacioacuten infrarroja de un radiador domeacutestico comuacuten o de un calefactor eleacutectrico es un ejemplo de radiacioacuten teacutermicabullLa luz emitida por una laacutempara incandescente La radiacioacuten teacutermica se produce cuando el calor del movimiento de partiacuteculas cargadas dentro de los aacutetomos se convierte en radiacioacuten electromagneacutetica
bullLa aplicacioacuten de la ley de Planck al Sol con una temperatura superficial de unos 6000 K nos lleva a que el 99 de la radiacioacuten emitida estaacute entre las
longitudes de onda 015 (microacutemetros o micras) y 4 micras y su maacuteximo dado por la ley de Wien ocurre a 0475 micras Como 1 Aring = 10-10 m = 10-
4micras resulta que el Sol emite en un rango de 1500 Aring hasta 40000 Aring y el maacuteximo ocurre a 4750 Aring La luz visible se extiende desde 4000 Aring a 7400 Aring La radiacioacuten ultravioleta u ondas cortas iriacutean desde los 1500 Aring a los 4000 Aring y la radiacioacuten infrarroja o radiacioacuten teacutermica u ondas largas desde las 074 micras a 4 micras
Tipos de radiaciones
bullradiacioacuten de radiobullradiacioacuten de microondasbullradiacioacuten infrarrojabullradiacioacuten visiblebullradiacioacuten ultravioletabullradiacioacuten Xbullradiacioacuten gamma (es la que emite maacutes energiacutea y la maacutes peligrosa)
Comemos alimentos
Para mantener nuestras funciones bioloacutegicas
Quemamos combustibles
Para producir energiacutea eleacutectricaPara calentar nuestras casasPara generar potencia en aviones trenes automoacuteviles
Usamos cubitos de hielo
Para enfriar bebidas
Usamos calor Para convertir masa cruda en pan horneado
Todos estos ejemplos nos indican que las reacciones quiacutemicas tienen algo en comuacuten
Las reacciones quiacutemicas implican cambios de energiacuteaLa combustioacuten de la gasolina libera energiacutea
La separacioacuten del agua en hidroacutegeno y oxiacutegeno requiere energiacutea
El estudio de la energiacutea y sus transformaciones se
conoce como TERMO DINAacuteMICAThermeldquocalorrdquo
DynamisldquoPotenciardquo
La invencioacuten del termoacutemetro se atribuye a Galileo aunque el termoacutemetro sellado no aparecioacute hasta 1650
Los oriacutegenes de la Termodinaacutemica como ciencia podriacuteanestablecerse en la eacutepoca de la invencioacuten del termoacutemetro quese atribuye a Galileo En reacciones que se desarrollan bajo condiciones controladas la medicioacuten de las variaciones de temperatura permite deducir los intercambios de calor (calores de reaccioacuten)
Termoacutemetro de cristal basado en el principio fiacutesico de que la densidad de un liacutequido cambia seguacuten la temperatura descubierto por Galileo Galilei (1564-1642) En funcioacuten de los cambios de temperatura las bolas de cristal que se encuentran en el interior del termoacutemetro se desplazan hacia arriba o abajo generandose dos zonas una en la parte superior y otra en la parte inferiorCada bola lleva una placa grabada con la temperatura de correspondencia con la densidad del liacutequidoLa temperatura ambiente es mostrada por la bola mas baja del conjunto de bolas que se encuentra en la zona superior del termoacutemetroRango de 18 a 24ordmC (de 2 en 2 grados)
Los termoacutemetros modernos de alcohol y mercurio fueron inventados por el fiacutesico alemaacuten Gabriel Fahrenheit quien tambieacuten propuso la primera escala de temperaturas ampliamente adoptada que lleva su nombre Punto de fusioacuten del hielo 32ordmF
Punto de ebullicioacuten del agua 212ordmF
212-32=180(La magnitud del grado Fahrenheit es menor que la del grado centiacutegrado)
La escala centiacutegrada o Celsius fue disentildeada por el astroacutenomo sueco
Es utilizada en la mayoriacutea de los paiacutesesEl punto de congelacioacuten es 0 grados (0 ordmC) y el punto de ebullicioacuten es de 100 ordmC
Anders Celsius
Por uacuteltimo la escala de temperaturas absolutas o escala Kelvin tiene su cero a una temperatura de ndash27315ordmC 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 expresioacutenTK = TC + 27315
Este aacuterea de estudio se desarrolloacute mucho con la revolucioacuten industrial
Interesaba conocer las relaciones entre calor trabajo y el contenido energeacutetico de los combustibles
Maximizar el rendimiento de las maacutequinas de vapor
Cientiacuteficos quedestacaron por la realizacioacuten de investigaciones y descubrimientos muy relevantesen relacioacuten a la Termodinaacutemica fueron entre otros Boltzmann Carnot ClapeyronClausius Gibbs Helmholtz Hess Joule Kelvin Maxwellhellip
Sistema y medio ambiente Convenio de signos de
los intercambios energeacuteticos Condiciones estaacutendar
Pueden ocurrir intercambios demateria yo energiacutea entre sistema y medio ambiente pero eacutestos deben ser controlados
ldquoexperimentordquo
sistema
medio ambiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema
son positivos
Tanto el calor perdido
por el sistema como el
trabajo efectuado por
el sistema sobre su
entorno son negativos
El convenio de signos para los intercambios de energiacutea en forma de calor y trabajo entre sistema y medio ambiente es el siguiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema son positivos aumentan su energiacutea
Tanto el calor perdido por el sistema como el trabajo efectuado por el sistema sobre su entorno son negativos reducen la energiacutea del sistema
qgt0wgt0
qlt0wlt0
qgt0wgt0
qlt0wlt0
E
EL QUIacuteMICO ES EL SISTEMA y lo ve desde dentro
El FIacuteSICO lo ve desde fuera
El quiacutemico ve el sistema desde dentro como si EL fuese el sistema
Por ejemplo un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre ambas partes del universo
La Termodinaacutemica se relaciona con los estados de equilibrioUn estado de equilibrio es aqueacutel en el que las propiedades macroscoacutepicas del sistema temperatura densidad composicioacuten quiacutemica etc estaacuten bien definidas y no variacutean
La Termodinaacutemica permite discernir si es posible pasar de un estado de equilibrio a otro pero no la velocidad de dicha transformacioacuten
Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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 funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
FORMATObull ARIAL 12bull INTERLINIADO 15 williamrubergmailcom
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Estos estados configuran en el espacio PVT una superficie discontinua debieacutendose las discontinuidades a los cambios de estado que sufre el compuesto al variarse las condiciones de presioacuten y temperatura que son las variables que suelen adoptarse como independientes en los estudios y caacutelculos termodinaacutemicos principalmente por la relativa sencillez de su medida
Vapor de aguaEl vapor de agua es un gas que se obtiene por evaporacioacuten o ebullicioacuten del agua liacutequida o por sublimacioacuten del hielo Es inodoro e incoloroMuy enrarecido el vapor de agua es responsable de la humedad ambiental En ciertas condiciones a alta concentracioacuten parte del agua que estaacute en forma el vapor se condensa constituyendo gotitas de agua liacutequida en suspensioacuten y asiacute se forma la niebla o a alturas mayores sobre el suelo nubes
Vapor de aguaNombre sistemaacutetico Vapor de agua
Estado liacutequido AguaEstado soacutelido Hielo nieve
Propiedades1
Punto de licuefaccioacuten 100 degCConstante individual gaseosa 4615 J(kgmiddotK)Calor latente de evaporacioacuten 227 MJkg
Masa molar 1802 gmolCalor especiacutefico 184 kJ(kgmiddotK)048 cal(gmiddotdegC)
El vapor de agua es un gas obtenido por evaporacioacuten de cierta cantidad de agua en estado liacutequido al igual que en el caso del aire seco es posible asumir que se comporta como gas ideal en intervalos de presioacuten y temperatura moderados generalmente inferiores a 003 bar y 65 deg C Bajo estas condiciones se calculan sus propiedades fiacutesicasVolumen especiacutefico del vapor de agua El volumen especiacutefico se encuentra en funcioacuten de la temperatura y presioacuten mediante la siguiente ecuacioacuten
Donde R toma el valor de 46152m3PakgK Vv es el volumen especiacutefico en m3kg pv es la presioacuten parcial del vapor de agua y T es la temperatura absoluta en KCalor especifico del vapor de agua Para un rango de temperatura entre -70degC y 120degC se ha encontrado que es posible trabajar con un calor especifico promedio para el vapor de agua de 186kJkgdegC Sin embargo recuerde que si requiere mayor exactitud es conveniente calcular este valor a traveacutes de la correlacioacuten polinoacutemica basada en la temperatura
TRABAJO Y CALOR
DEFINICIOacuteN DE TRABAJO Y CALOR
Son intercambios energeacuteticos que tienen lugar como consecuencia de las interacciones que pueden experimentar los sistemas termodinaacutemicos Tanto el calor como el trabajo son manifestaciones externas de la energiacutea y uacutenicamente se evidencian en las fronteras de los sistemas y solamente apareceraacuten cuando estos experimenten cambios en sus estados termodinaacutemicos
En las interacciones que experimentan los sistemas estos pueden recibir o ceder energiacutea La energiacutea se considera como una magnitud algebraica establecieacutendose el siguiente criterio trabajo que proporciona el sistema positivo y el que recibe negativo Asiacute mismo el calor suministrado al sistema se considera positivo y el cedido por eacutel negativo
Criterio de signos para el intercambio energeacutetico
TRABAJO
Definicioacuten mecaacutenica de trabajo
Es el producto de una fuerza por la distancia recorrida en la direccioacuten de la fuerza
Definicioacuten termodinaacutemica de trabajo
Un sistema realiza trabajo durante un proceso si el uacutenico efecto en el medio exterior pudiese ser el levantamiento de un peso Ejm un sistema formado por una bateriacutea y un motor En los liacutemites del sistema se observa el trabajo entregado por el motor a la rueda de paletas Si se sustituye la rueda de paletas por un conjunto de peso-polea el uacutenico efecto externo a la frontera del sistema seraacute el levantamiento de un peso
Ilustracioacuten del trabajo de la rueda de paletas
TRABAJO DE UN SISTEMA
Consideremos un arreglo cilindro-pistoacuten que encierra una cierta masa de gas que ejerce presioacuten sobre la cara del pistoacuten de superficie A Si el pistoacuten se desplaza hacia la izquierda debido a la aplicacioacuten de una fuerza F externa se diraacute que los alrededores ejercen trabajo sobre el gas y su valor infinitesimal seraacute
Dicieacutendose en este caso que el gas ha sido comprimido
Trabajo mecaacutenico que se asocia con el movimiento de la frontera de un dispositivo cilindro-pistoacuten
El trabajo se puede expresar como
En termodinaacutemica se dice que un sistema se encuentra en estado de equilibrio termodinaacutemico si es incapaz de experimentar espontaacuteneamente alguacuten cambio de estado o proceso termodinaacutemico cuando estaacute sometido a unas determinadas condiciones de contorno (las condiciones que le imponen sus alrededores) Para ello ha de encontrarse simultaacuteneamente en equilibrio teacutermico equilibrio mecaacutenico y equilibrio quiacutemico
TRABAJO CASI EN EQUILIBRIO
CALOR
Es la forma de energiacutea que se transmite a traveacutes del liacutemite de un sistema que estaacute a una temperatura a otro sistema (o al medio exterior) a una temperatura mas baja debido a la diferencia de temperatura entre los dos sistemas El calor es una funcioacuten de trayectoria y su diferencial es inexacta luego
COMPARACION ENTRE CALOR Y TRABAJO
Calor y trabajo son ambos fenoacutemenos transitorios Los sistemas nunca tienen calor o trabajo pero cualquiera o ambos cruzan los liacutemites del sistema cuando eacuteste sufre un cambio de estadoAmbos calor y trabajo son fenoacutemenos de liacutemite Ambos se observan solamente en los liacutemites del sistema y ambos representan la energiacutea que cruza el liacutemite del sistema
Ambos calor y trabajo son funciones de trayectoria y diferenciales inexactasPor conveccioacuten +Q representa calor transferido al sistema y que por tanto es energiacutea antildeadida en eacutel y +W representa trabajo efectuado por el sistema y esto representa energiacutea que sale de eacutel
lustracioacuten para indicar diferencia entre calor y trabajo
La energiacutea cruza los liacutemites del sistema porque la temperatura de las paredes es mayor que la temperatura del gas El calor cruza los liacutemites del sistema la electricidad cruza los liacutemites del sistema El trabajo cruza los liacutemites del sistema
La transferencia de calor es el proceso de propagacioacuten del calor en distintos medios La parte de la fiacutesica que estudia estos procesos se llama a su vez Transferencia de calor o Transmisioacuten de calor La transferencia de calor se produce siempre que existe un gradiente teacutermico o cuando dos sistemas con diferentes temperaturas se ponen en contacto El proceso persiste hasta alcanzar el equilibrio teacutermico es decir hasta que se igualan las temperaturas Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos o regiones lo suficientemente proacuteximas la transferencia de calor no puede ser detenida solo puede hacerse maacutes lenta
TRANSFERENCIA DE CALOR
Una barra al rojo vivo transfiere calor al ambiente principalmente por radiacioacuten teacutermica y en menor medida por conveccioacuten
La termodinaacutemica es la ciencia que estudia la relacioacuten entre el calor y otras formas de energiacutea El calor es energiacutea en traacutensito Siempre que existe un gradiente de temperatura en un sistema o se ponen en contacto dos sistemas a diferente temperatura se transfiere energiacutea entre ellos Sabemos de esta transferencia no porque la veamos sino por los cambios que se producen en el o los sistemas La Termodinaacutemica basaacutendose en los estados de cada sistema desde un punto de vista macroscoacutepico es decir en funcioacuten de atributos tales como la presioacuten la temperatura y el volumen que se pueden medir determina si ha habido cambios en la energiacutea interna de los mismos En cumplimiento del Primer principio y descartada la interaccioacuten de trabajo con el exterior la variacioacuten de energiacutea interna solo puede ser debida a calor es decir a transferencia de energiacutea de un sistema al otro
Pero los paraacutemetros macroscoacutepicos solo se pueden medir o tiene valor su medida si es homogeacutenea en todo el sistema lo que solo ocurre si estaacuten en equilibrio La termodinaacutemica por tanto se ocupa de los estados de equilibrio y en funcioacuten de sus diferencias determina la cantidad de energiacutea transferida de un estado al otro pero sin considerar el mecanismo de flujo de calor ni la velocidad a la que se ha realizado la transferencia En un anaacutelisis termodinaacutemico se sabe la cantidad de energiacutea necesaria para pasar de un estado al otro pero no se conoce cuaacutento tiempo ha requerido la transferencia porque el tiempo no se incluye como variable en el anaacutelisis1 Esto es objetivo de otra rama de la ciencia que se conoce como Transferencia de calor
La Transferencia de calor como ciencia tiene como objetivo calcular La velocidad de transferencia de calor para una diferencia de temperatura especiacutefica y no es una misioacuten baladiacute ya que casi cualquier rama de la ingenieriacutea encuentra problemas de transferencia de calor que no podriacutean ser resueltos con uacutenicamente el razonamiento termodinaacutemico
Imagen tomada de una computacioacuten de conveccioacuten en el manto terrestre los colores rojizos representan aacutereas maacutes calientes y los maacutes azules las maacutes friacuteas
bullConduccioacuten Es la transferencia de calor que se produce a traveacutes de un medio material por contacto directo entre sus partiacuteculas cuando existe una diferencia de temperatura y en virtud del movimiento de sus micro partiacuteculas El medio puede ser soacutelido liacutequido o gaseoso aunque en liacutequidos y gases solo se da la conduccioacuten pura si se excluye la posibilidad de conveccioacuten La cantidad de calor que se transfiere por conduccioacuten viene dada por la ley de Fourier Esta ley afirma que la velocidad de conduccioacuten de calor a traveacutes de un cuerpo por unidad de seccioacuten transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo
La conduccioacuten de calor o transmisioacuten de calor por conduccioacuten es un proceso de transmisioacuten de calor basado en el contacto directo entre los cuerpos sin intercambio de materia por el que el calor fluye desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura que estaacute en contacto con el primero La propiedad fiacutesica de los materiales que determina su capacidad para conducir el calor es la conductividad teacutermica La propiedad inversa de la conductividad teacutermica es la resistividad teacutermica que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor
El segundo principio de la termodinaacutemica determina que el calor soacutelo puede fluir de un cuerpo maacutes caliente a uno maacutes friacuteo la ley de Fourier fija cuantitativamente la relacioacuten entre el flujo y las variaciones espacial y temporal de la temperatura
bullConveccioacuten La transmisioacuten de calor por conveccioacuten se compone de dos mecanismos simultaacuteneos El primero es la transferencia de calor por conduccioacuten debida al movimiento molecular a la que se superpone la transferencia de energiacutea por el movimiento de fracciones del fluido que se mueven accionadas por una fuerza externa que puede ser un gradiente de densidad (conveccioacuten natural) o una diferencia de presioacuten producida mecaacutenicamente (conveccioacuten forzada) o una combinacioacuten de ambas La cantidad de calor transferido por conveccioacuten se rige por la ley de enfriamiento de Newton
bullRadiacioacuten se puede atribuir a cambios en las configuraciones electroacutenicas de los aacutetomos o moleacuteculas constitutivas En ausencia de un medio existe una transferencia neta de calor por radiacioacuten entre dos superficies a diferentes temperaturas debido a que todas las superficies con temperatura finita emiten energiacutea en forma de ondas electromagneacuteticas El calor emitido por una superficie en la unidad de tiempo viene dado por la ley de Stefan-Boltzmann
Se denomina radiacioacuten teacutermica o radiacioacuten caloriacutefica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura Todos los cuerpos emiten radiacioacuten electromagneacutetica siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada En lo que respecta a la transferencia de calor la radiacioacuten relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 01microm a 1000microm abarcando por tanto la regioacuten infrarroja del espectro electromagneacuteticoLa materia en un estado condensado (soacutelido o liacutequido) emite un espectro de radiacioacuten continuo La frecuencia de onda emitida por radiacioacuten teacutermica es una funcioacuten de densidad de probabilidad que depende solo de la temperatura
bullLa radiacioacuten infrarroja de un radiador domeacutestico comuacuten o de un calefactor eleacutectrico es un ejemplo de radiacioacuten teacutermicabullLa luz emitida por una laacutempara incandescente La radiacioacuten teacutermica se produce cuando el calor del movimiento de partiacuteculas cargadas dentro de los aacutetomos se convierte en radiacioacuten electromagneacutetica
bullLa aplicacioacuten de la ley de Planck al Sol con una temperatura superficial de unos 6000 K nos lleva a que el 99 de la radiacioacuten emitida estaacute entre las
longitudes de onda 015 (microacutemetros o micras) y 4 micras y su maacuteximo dado por la ley de Wien ocurre a 0475 micras Como 1 Aring = 10-10 m = 10-
4micras resulta que el Sol emite en un rango de 1500 Aring hasta 40000 Aring y el maacuteximo ocurre a 4750 Aring La luz visible se extiende desde 4000 Aring a 7400 Aring La radiacioacuten ultravioleta u ondas cortas iriacutean desde los 1500 Aring a los 4000 Aring y la radiacioacuten infrarroja o radiacioacuten teacutermica u ondas largas desde las 074 micras a 4 micras
Tipos de radiaciones
bullradiacioacuten de radiobullradiacioacuten de microondasbullradiacioacuten infrarrojabullradiacioacuten visiblebullradiacioacuten ultravioletabullradiacioacuten Xbullradiacioacuten gamma (es la que emite maacutes energiacutea y la maacutes peligrosa)
Comemos alimentos
Para mantener nuestras funciones bioloacutegicas
Quemamos combustibles
Para producir energiacutea eleacutectricaPara calentar nuestras casasPara generar potencia en aviones trenes automoacuteviles
Usamos cubitos de hielo
Para enfriar bebidas
Usamos calor Para convertir masa cruda en pan horneado
Todos estos ejemplos nos indican que las reacciones quiacutemicas tienen algo en comuacuten
Las reacciones quiacutemicas implican cambios de energiacuteaLa combustioacuten de la gasolina libera energiacutea
La separacioacuten del agua en hidroacutegeno y oxiacutegeno requiere energiacutea
El estudio de la energiacutea y sus transformaciones se
conoce como TERMO DINAacuteMICAThermeldquocalorrdquo
DynamisldquoPotenciardquo
La invencioacuten del termoacutemetro se atribuye a Galileo aunque el termoacutemetro sellado no aparecioacute hasta 1650
Los oriacutegenes de la Termodinaacutemica como ciencia podriacuteanestablecerse en la eacutepoca de la invencioacuten del termoacutemetro quese atribuye a Galileo En reacciones que se desarrollan bajo condiciones controladas la medicioacuten de las variaciones de temperatura permite deducir los intercambios de calor (calores de reaccioacuten)
Termoacutemetro de cristal basado en el principio fiacutesico de que la densidad de un liacutequido cambia seguacuten la temperatura descubierto por Galileo Galilei (1564-1642) En funcioacuten de los cambios de temperatura las bolas de cristal que se encuentran en el interior del termoacutemetro se desplazan hacia arriba o abajo generandose dos zonas una en la parte superior y otra en la parte inferiorCada bola lleva una placa grabada con la temperatura de correspondencia con la densidad del liacutequidoLa temperatura ambiente es mostrada por la bola mas baja del conjunto de bolas que se encuentra en la zona superior del termoacutemetroRango de 18 a 24ordmC (de 2 en 2 grados)
Los termoacutemetros modernos de alcohol y mercurio fueron inventados por el fiacutesico alemaacuten Gabriel Fahrenheit quien tambieacuten propuso la primera escala de temperaturas ampliamente adoptada que lleva su nombre Punto de fusioacuten del hielo 32ordmF
Punto de ebullicioacuten del agua 212ordmF
212-32=180(La magnitud del grado Fahrenheit es menor que la del grado centiacutegrado)
La escala centiacutegrada o Celsius fue disentildeada por el astroacutenomo sueco
Es utilizada en la mayoriacutea de los paiacutesesEl punto de congelacioacuten es 0 grados (0 ordmC) y el punto de ebullicioacuten es de 100 ordmC
Anders Celsius
Por uacuteltimo la escala de temperaturas absolutas o escala Kelvin tiene su cero a una temperatura de ndash27315ordmC 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 expresioacutenTK = TC + 27315
Este aacuterea de estudio se desarrolloacute mucho con la revolucioacuten industrial
Interesaba conocer las relaciones entre calor trabajo y el contenido energeacutetico de los combustibles
Maximizar el rendimiento de las maacutequinas de vapor
Cientiacuteficos quedestacaron por la realizacioacuten de investigaciones y descubrimientos muy relevantesen relacioacuten a la Termodinaacutemica fueron entre otros Boltzmann Carnot ClapeyronClausius Gibbs Helmholtz Hess Joule Kelvin Maxwellhellip
Sistema y medio ambiente Convenio de signos de
los intercambios energeacuteticos Condiciones estaacutendar
Pueden ocurrir intercambios demateria yo energiacutea entre sistema y medio ambiente pero eacutestos deben ser controlados
ldquoexperimentordquo
sistema
medio ambiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema
son positivos
Tanto el calor perdido
por el sistema como el
trabajo efectuado por
el sistema sobre su
entorno son negativos
El convenio de signos para los intercambios de energiacutea en forma de calor y trabajo entre sistema y medio ambiente es el siguiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema son positivos aumentan su energiacutea
Tanto el calor perdido por el sistema como el trabajo efectuado por el sistema sobre su entorno son negativos reducen la energiacutea del sistema
qgt0wgt0
qlt0wlt0
qgt0wgt0
qlt0wlt0
E
EL QUIacuteMICO ES EL SISTEMA y lo ve desde dentro
El FIacuteSICO lo ve desde fuera
El quiacutemico ve el sistema desde dentro como si EL fuese el sistema
Por ejemplo un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre ambas partes del universo
La Termodinaacutemica se relaciona con los estados de equilibrioUn estado de equilibrio es aqueacutel en el que las propiedades macroscoacutepicas del sistema temperatura densidad composicioacuten quiacutemica etc estaacuten bien definidas y no variacutean
La Termodinaacutemica permite discernir si es posible pasar de un estado de equilibrio a otro pero no la velocidad de dicha transformacioacuten
Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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 funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
FORMATObull ARIAL 12bull INTERLINIADO 15 williamrubergmailcom
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Vapor de aguaEl vapor de agua es un gas que se obtiene por evaporacioacuten o ebullicioacuten del agua liacutequida o por sublimacioacuten del hielo Es inodoro e incoloroMuy enrarecido el vapor de agua es responsable de la humedad ambiental En ciertas condiciones a alta concentracioacuten parte del agua que estaacute en forma el vapor se condensa constituyendo gotitas de agua liacutequida en suspensioacuten y asiacute se forma la niebla o a alturas mayores sobre el suelo nubes
Vapor de aguaNombre sistemaacutetico Vapor de agua
Estado liacutequido AguaEstado soacutelido Hielo nieve
Propiedades1
Punto de licuefaccioacuten 100 degCConstante individual gaseosa 4615 J(kgmiddotK)Calor latente de evaporacioacuten 227 MJkg
Masa molar 1802 gmolCalor especiacutefico 184 kJ(kgmiddotK)048 cal(gmiddotdegC)
El vapor de agua es un gas obtenido por evaporacioacuten de cierta cantidad de agua en estado liacutequido al igual que en el caso del aire seco es posible asumir que se comporta como gas ideal en intervalos de presioacuten y temperatura moderados generalmente inferiores a 003 bar y 65 deg C Bajo estas condiciones se calculan sus propiedades fiacutesicasVolumen especiacutefico del vapor de agua El volumen especiacutefico se encuentra en funcioacuten de la temperatura y presioacuten mediante la siguiente ecuacioacuten
Donde R toma el valor de 46152m3PakgK Vv es el volumen especiacutefico en m3kg pv es la presioacuten parcial del vapor de agua y T es la temperatura absoluta en KCalor especifico del vapor de agua Para un rango de temperatura entre -70degC y 120degC se ha encontrado que es posible trabajar con un calor especifico promedio para el vapor de agua de 186kJkgdegC Sin embargo recuerde que si requiere mayor exactitud es conveniente calcular este valor a traveacutes de la correlacioacuten polinoacutemica basada en la temperatura
TRABAJO Y CALOR
DEFINICIOacuteN DE TRABAJO Y CALOR
Son intercambios energeacuteticos que tienen lugar como consecuencia de las interacciones que pueden experimentar los sistemas termodinaacutemicos Tanto el calor como el trabajo son manifestaciones externas de la energiacutea y uacutenicamente se evidencian en las fronteras de los sistemas y solamente apareceraacuten cuando estos experimenten cambios en sus estados termodinaacutemicos
En las interacciones que experimentan los sistemas estos pueden recibir o ceder energiacutea La energiacutea se considera como una magnitud algebraica establecieacutendose el siguiente criterio trabajo que proporciona el sistema positivo y el que recibe negativo Asiacute mismo el calor suministrado al sistema se considera positivo y el cedido por eacutel negativo
Criterio de signos para el intercambio energeacutetico
TRABAJO
Definicioacuten mecaacutenica de trabajo
Es el producto de una fuerza por la distancia recorrida en la direccioacuten de la fuerza
Definicioacuten termodinaacutemica de trabajo
Un sistema realiza trabajo durante un proceso si el uacutenico efecto en el medio exterior pudiese ser el levantamiento de un peso Ejm un sistema formado por una bateriacutea y un motor En los liacutemites del sistema se observa el trabajo entregado por el motor a la rueda de paletas Si se sustituye la rueda de paletas por un conjunto de peso-polea el uacutenico efecto externo a la frontera del sistema seraacute el levantamiento de un peso
Ilustracioacuten del trabajo de la rueda de paletas
TRABAJO DE UN SISTEMA
Consideremos un arreglo cilindro-pistoacuten que encierra una cierta masa de gas que ejerce presioacuten sobre la cara del pistoacuten de superficie A Si el pistoacuten se desplaza hacia la izquierda debido a la aplicacioacuten de una fuerza F externa se diraacute que los alrededores ejercen trabajo sobre el gas y su valor infinitesimal seraacute
Dicieacutendose en este caso que el gas ha sido comprimido
Trabajo mecaacutenico que se asocia con el movimiento de la frontera de un dispositivo cilindro-pistoacuten
El trabajo se puede expresar como
En termodinaacutemica se dice que un sistema se encuentra en estado de equilibrio termodinaacutemico si es incapaz de experimentar espontaacuteneamente alguacuten cambio de estado o proceso termodinaacutemico cuando estaacute sometido a unas determinadas condiciones de contorno (las condiciones que le imponen sus alrededores) Para ello ha de encontrarse simultaacuteneamente en equilibrio teacutermico equilibrio mecaacutenico y equilibrio quiacutemico
TRABAJO CASI EN EQUILIBRIO
CALOR
Es la forma de energiacutea que se transmite a traveacutes del liacutemite de un sistema que estaacute a una temperatura a otro sistema (o al medio exterior) a una temperatura mas baja debido a la diferencia de temperatura entre los dos sistemas El calor es una funcioacuten de trayectoria y su diferencial es inexacta luego
COMPARACION ENTRE CALOR Y TRABAJO
Calor y trabajo son ambos fenoacutemenos transitorios Los sistemas nunca tienen calor o trabajo pero cualquiera o ambos cruzan los liacutemites del sistema cuando eacuteste sufre un cambio de estadoAmbos calor y trabajo son fenoacutemenos de liacutemite Ambos se observan solamente en los liacutemites del sistema y ambos representan la energiacutea que cruza el liacutemite del sistema
Ambos calor y trabajo son funciones de trayectoria y diferenciales inexactasPor conveccioacuten +Q representa calor transferido al sistema y que por tanto es energiacutea antildeadida en eacutel y +W representa trabajo efectuado por el sistema y esto representa energiacutea que sale de eacutel
lustracioacuten para indicar diferencia entre calor y trabajo
La energiacutea cruza los liacutemites del sistema porque la temperatura de las paredes es mayor que la temperatura del gas El calor cruza los liacutemites del sistema la electricidad cruza los liacutemites del sistema El trabajo cruza los liacutemites del sistema
La transferencia de calor es el proceso de propagacioacuten del calor en distintos medios La parte de la fiacutesica que estudia estos procesos se llama a su vez Transferencia de calor o Transmisioacuten de calor La transferencia de calor se produce siempre que existe un gradiente teacutermico o cuando dos sistemas con diferentes temperaturas se ponen en contacto El proceso persiste hasta alcanzar el equilibrio teacutermico es decir hasta que se igualan las temperaturas Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos o regiones lo suficientemente proacuteximas la transferencia de calor no puede ser detenida solo puede hacerse maacutes lenta
TRANSFERENCIA DE CALOR
Una barra al rojo vivo transfiere calor al ambiente principalmente por radiacioacuten teacutermica y en menor medida por conveccioacuten
La termodinaacutemica es la ciencia que estudia la relacioacuten entre el calor y otras formas de energiacutea El calor es energiacutea en traacutensito Siempre que existe un gradiente de temperatura en un sistema o se ponen en contacto dos sistemas a diferente temperatura se transfiere energiacutea entre ellos Sabemos de esta transferencia no porque la veamos sino por los cambios que se producen en el o los sistemas La Termodinaacutemica basaacutendose en los estados de cada sistema desde un punto de vista macroscoacutepico es decir en funcioacuten de atributos tales como la presioacuten la temperatura y el volumen que se pueden medir determina si ha habido cambios en la energiacutea interna de los mismos En cumplimiento del Primer principio y descartada la interaccioacuten de trabajo con el exterior la variacioacuten de energiacutea interna solo puede ser debida a calor es decir a transferencia de energiacutea de un sistema al otro
Pero los paraacutemetros macroscoacutepicos solo se pueden medir o tiene valor su medida si es homogeacutenea en todo el sistema lo que solo ocurre si estaacuten en equilibrio La termodinaacutemica por tanto se ocupa de los estados de equilibrio y en funcioacuten de sus diferencias determina la cantidad de energiacutea transferida de un estado al otro pero sin considerar el mecanismo de flujo de calor ni la velocidad a la que se ha realizado la transferencia En un anaacutelisis termodinaacutemico se sabe la cantidad de energiacutea necesaria para pasar de un estado al otro pero no se conoce cuaacutento tiempo ha requerido la transferencia porque el tiempo no se incluye como variable en el anaacutelisis1 Esto es objetivo de otra rama de la ciencia que se conoce como Transferencia de calor
La Transferencia de calor como ciencia tiene como objetivo calcular La velocidad de transferencia de calor para una diferencia de temperatura especiacutefica y no es una misioacuten baladiacute ya que casi cualquier rama de la ingenieriacutea encuentra problemas de transferencia de calor que no podriacutean ser resueltos con uacutenicamente el razonamiento termodinaacutemico
Imagen tomada de una computacioacuten de conveccioacuten en el manto terrestre los colores rojizos representan aacutereas maacutes calientes y los maacutes azules las maacutes friacuteas
bullConduccioacuten Es la transferencia de calor que se produce a traveacutes de un medio material por contacto directo entre sus partiacuteculas cuando existe una diferencia de temperatura y en virtud del movimiento de sus micro partiacuteculas El medio puede ser soacutelido liacutequido o gaseoso aunque en liacutequidos y gases solo se da la conduccioacuten pura si se excluye la posibilidad de conveccioacuten La cantidad de calor que se transfiere por conduccioacuten viene dada por la ley de Fourier Esta ley afirma que la velocidad de conduccioacuten de calor a traveacutes de un cuerpo por unidad de seccioacuten transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo
La conduccioacuten de calor o transmisioacuten de calor por conduccioacuten es un proceso de transmisioacuten de calor basado en el contacto directo entre los cuerpos sin intercambio de materia por el que el calor fluye desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura que estaacute en contacto con el primero La propiedad fiacutesica de los materiales que determina su capacidad para conducir el calor es la conductividad teacutermica La propiedad inversa de la conductividad teacutermica es la resistividad teacutermica que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor
El segundo principio de la termodinaacutemica determina que el calor soacutelo puede fluir de un cuerpo maacutes caliente a uno maacutes friacuteo la ley de Fourier fija cuantitativamente la relacioacuten entre el flujo y las variaciones espacial y temporal de la temperatura
bullConveccioacuten La transmisioacuten de calor por conveccioacuten se compone de dos mecanismos simultaacuteneos El primero es la transferencia de calor por conduccioacuten debida al movimiento molecular a la que se superpone la transferencia de energiacutea por el movimiento de fracciones del fluido que se mueven accionadas por una fuerza externa que puede ser un gradiente de densidad (conveccioacuten natural) o una diferencia de presioacuten producida mecaacutenicamente (conveccioacuten forzada) o una combinacioacuten de ambas La cantidad de calor transferido por conveccioacuten se rige por la ley de enfriamiento de Newton
bullRadiacioacuten se puede atribuir a cambios en las configuraciones electroacutenicas de los aacutetomos o moleacuteculas constitutivas En ausencia de un medio existe una transferencia neta de calor por radiacioacuten entre dos superficies a diferentes temperaturas debido a que todas las superficies con temperatura finita emiten energiacutea en forma de ondas electromagneacuteticas El calor emitido por una superficie en la unidad de tiempo viene dado por la ley de Stefan-Boltzmann
Se denomina radiacioacuten teacutermica o radiacioacuten caloriacutefica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura Todos los cuerpos emiten radiacioacuten electromagneacutetica siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada En lo que respecta a la transferencia de calor la radiacioacuten relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 01microm a 1000microm abarcando por tanto la regioacuten infrarroja del espectro electromagneacuteticoLa materia en un estado condensado (soacutelido o liacutequido) emite un espectro de radiacioacuten continuo La frecuencia de onda emitida por radiacioacuten teacutermica es una funcioacuten de densidad de probabilidad que depende solo de la temperatura
bullLa radiacioacuten infrarroja de un radiador domeacutestico comuacuten o de un calefactor eleacutectrico es un ejemplo de radiacioacuten teacutermicabullLa luz emitida por una laacutempara incandescente La radiacioacuten teacutermica se produce cuando el calor del movimiento de partiacuteculas cargadas dentro de los aacutetomos se convierte en radiacioacuten electromagneacutetica
bullLa aplicacioacuten de la ley de Planck al Sol con una temperatura superficial de unos 6000 K nos lleva a que el 99 de la radiacioacuten emitida estaacute entre las
longitudes de onda 015 (microacutemetros o micras) y 4 micras y su maacuteximo dado por la ley de Wien ocurre a 0475 micras Como 1 Aring = 10-10 m = 10-
4micras resulta que el Sol emite en un rango de 1500 Aring hasta 40000 Aring y el maacuteximo ocurre a 4750 Aring La luz visible se extiende desde 4000 Aring a 7400 Aring La radiacioacuten ultravioleta u ondas cortas iriacutean desde los 1500 Aring a los 4000 Aring y la radiacioacuten infrarroja o radiacioacuten teacutermica u ondas largas desde las 074 micras a 4 micras
Tipos de radiaciones
bullradiacioacuten de radiobullradiacioacuten de microondasbullradiacioacuten infrarrojabullradiacioacuten visiblebullradiacioacuten ultravioletabullradiacioacuten Xbullradiacioacuten gamma (es la que emite maacutes energiacutea y la maacutes peligrosa)
Comemos alimentos
Para mantener nuestras funciones bioloacutegicas
Quemamos combustibles
Para producir energiacutea eleacutectricaPara calentar nuestras casasPara generar potencia en aviones trenes automoacuteviles
Usamos cubitos de hielo
Para enfriar bebidas
Usamos calor Para convertir masa cruda en pan horneado
Todos estos ejemplos nos indican que las reacciones quiacutemicas tienen algo en comuacuten
Las reacciones quiacutemicas implican cambios de energiacuteaLa combustioacuten de la gasolina libera energiacutea
La separacioacuten del agua en hidroacutegeno y oxiacutegeno requiere energiacutea
El estudio de la energiacutea y sus transformaciones se
conoce como TERMO DINAacuteMICAThermeldquocalorrdquo
DynamisldquoPotenciardquo
La invencioacuten del termoacutemetro se atribuye a Galileo aunque el termoacutemetro sellado no aparecioacute hasta 1650
Los oriacutegenes de la Termodinaacutemica como ciencia podriacuteanestablecerse en la eacutepoca de la invencioacuten del termoacutemetro quese atribuye a Galileo En reacciones que se desarrollan bajo condiciones controladas la medicioacuten de las variaciones de temperatura permite deducir los intercambios de calor (calores de reaccioacuten)
Termoacutemetro de cristal basado en el principio fiacutesico de que la densidad de un liacutequido cambia seguacuten la temperatura descubierto por Galileo Galilei (1564-1642) En funcioacuten de los cambios de temperatura las bolas de cristal que se encuentran en el interior del termoacutemetro se desplazan hacia arriba o abajo generandose dos zonas una en la parte superior y otra en la parte inferiorCada bola lleva una placa grabada con la temperatura de correspondencia con la densidad del liacutequidoLa temperatura ambiente es mostrada por la bola mas baja del conjunto de bolas que se encuentra en la zona superior del termoacutemetroRango de 18 a 24ordmC (de 2 en 2 grados)
Los termoacutemetros modernos de alcohol y mercurio fueron inventados por el fiacutesico alemaacuten Gabriel Fahrenheit quien tambieacuten propuso la primera escala de temperaturas ampliamente adoptada que lleva su nombre Punto de fusioacuten del hielo 32ordmF
Punto de ebullicioacuten del agua 212ordmF
212-32=180(La magnitud del grado Fahrenheit es menor que la del grado centiacutegrado)
La escala centiacutegrada o Celsius fue disentildeada por el astroacutenomo sueco
Es utilizada en la mayoriacutea de los paiacutesesEl punto de congelacioacuten es 0 grados (0 ordmC) y el punto de ebullicioacuten es de 100 ordmC
Anders Celsius
Por uacuteltimo la escala de temperaturas absolutas o escala Kelvin tiene su cero a una temperatura de ndash27315ordmC 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 expresioacutenTK = TC + 27315
Este aacuterea de estudio se desarrolloacute mucho con la revolucioacuten industrial
Interesaba conocer las relaciones entre calor trabajo y el contenido energeacutetico de los combustibles
Maximizar el rendimiento de las maacutequinas de vapor
Cientiacuteficos quedestacaron por la realizacioacuten de investigaciones y descubrimientos muy relevantesen relacioacuten a la Termodinaacutemica fueron entre otros Boltzmann Carnot ClapeyronClausius Gibbs Helmholtz Hess Joule Kelvin Maxwellhellip
Sistema y medio ambiente Convenio de signos de
los intercambios energeacuteticos Condiciones estaacutendar
Pueden ocurrir intercambios demateria yo energiacutea entre sistema y medio ambiente pero eacutestos deben ser controlados
ldquoexperimentordquo
sistema
medio ambiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema
son positivos
Tanto el calor perdido
por el sistema como el
trabajo efectuado por
el sistema sobre su
entorno son negativos
El convenio de signos para los intercambios de energiacutea en forma de calor y trabajo entre sistema y medio ambiente es el siguiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema son positivos aumentan su energiacutea
Tanto el calor perdido por el sistema como el trabajo efectuado por el sistema sobre su entorno son negativos reducen la energiacutea del sistema
qgt0wgt0
qlt0wlt0
qgt0wgt0
qlt0wlt0
E
EL QUIacuteMICO ES EL SISTEMA y lo ve desde dentro
El FIacuteSICO lo ve desde fuera
El quiacutemico ve el sistema desde dentro como si EL fuese el sistema
Por ejemplo un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre ambas partes del universo
La Termodinaacutemica se relaciona con los estados de equilibrioUn estado de equilibrio es aqueacutel en el que las propiedades macroscoacutepicas del sistema temperatura densidad composicioacuten quiacutemica etc estaacuten bien definidas y no variacutean
La Termodinaacutemica permite discernir si es posible pasar de un estado de equilibrio a otro pero no la velocidad de dicha transformacioacuten
Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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 funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
FORMATObull ARIAL 12bull INTERLINIADO 15 williamrubergmailcom
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Vapor de aguaNombre sistemaacutetico Vapor de agua
Estado liacutequido AguaEstado soacutelido Hielo nieve
Propiedades1
Punto de licuefaccioacuten 100 degCConstante individual gaseosa 4615 J(kgmiddotK)Calor latente de evaporacioacuten 227 MJkg
Masa molar 1802 gmolCalor especiacutefico 184 kJ(kgmiddotK)048 cal(gmiddotdegC)
El vapor de agua es un gas obtenido por evaporacioacuten de cierta cantidad de agua en estado liacutequido al igual que en el caso del aire seco es posible asumir que se comporta como gas ideal en intervalos de presioacuten y temperatura moderados generalmente inferiores a 003 bar y 65 deg C Bajo estas condiciones se calculan sus propiedades fiacutesicasVolumen especiacutefico del vapor de agua El volumen especiacutefico se encuentra en funcioacuten de la temperatura y presioacuten mediante la siguiente ecuacioacuten
Donde R toma el valor de 46152m3PakgK Vv es el volumen especiacutefico en m3kg pv es la presioacuten parcial del vapor de agua y T es la temperatura absoluta en KCalor especifico del vapor de agua Para un rango de temperatura entre -70degC y 120degC se ha encontrado que es posible trabajar con un calor especifico promedio para el vapor de agua de 186kJkgdegC Sin embargo recuerde que si requiere mayor exactitud es conveniente calcular este valor a traveacutes de la correlacioacuten polinoacutemica basada en la temperatura
TRABAJO Y CALOR
DEFINICIOacuteN DE TRABAJO Y CALOR
Son intercambios energeacuteticos que tienen lugar como consecuencia de las interacciones que pueden experimentar los sistemas termodinaacutemicos Tanto el calor como el trabajo son manifestaciones externas de la energiacutea y uacutenicamente se evidencian en las fronteras de los sistemas y solamente apareceraacuten cuando estos experimenten cambios en sus estados termodinaacutemicos
En las interacciones que experimentan los sistemas estos pueden recibir o ceder energiacutea La energiacutea se considera como una magnitud algebraica establecieacutendose el siguiente criterio trabajo que proporciona el sistema positivo y el que recibe negativo Asiacute mismo el calor suministrado al sistema se considera positivo y el cedido por eacutel negativo
Criterio de signos para el intercambio energeacutetico
TRABAJO
Definicioacuten mecaacutenica de trabajo
Es el producto de una fuerza por la distancia recorrida en la direccioacuten de la fuerza
Definicioacuten termodinaacutemica de trabajo
Un sistema realiza trabajo durante un proceso si el uacutenico efecto en el medio exterior pudiese ser el levantamiento de un peso Ejm un sistema formado por una bateriacutea y un motor En los liacutemites del sistema se observa el trabajo entregado por el motor a la rueda de paletas Si se sustituye la rueda de paletas por un conjunto de peso-polea el uacutenico efecto externo a la frontera del sistema seraacute el levantamiento de un peso
Ilustracioacuten del trabajo de la rueda de paletas
TRABAJO DE UN SISTEMA
Consideremos un arreglo cilindro-pistoacuten que encierra una cierta masa de gas que ejerce presioacuten sobre la cara del pistoacuten de superficie A Si el pistoacuten se desplaza hacia la izquierda debido a la aplicacioacuten de una fuerza F externa se diraacute que los alrededores ejercen trabajo sobre el gas y su valor infinitesimal seraacute
Dicieacutendose en este caso que el gas ha sido comprimido
Trabajo mecaacutenico que se asocia con el movimiento de la frontera de un dispositivo cilindro-pistoacuten
El trabajo se puede expresar como
En termodinaacutemica se dice que un sistema se encuentra en estado de equilibrio termodinaacutemico si es incapaz de experimentar espontaacuteneamente alguacuten cambio de estado o proceso termodinaacutemico cuando estaacute sometido a unas determinadas condiciones de contorno (las condiciones que le imponen sus alrededores) Para ello ha de encontrarse simultaacuteneamente en equilibrio teacutermico equilibrio mecaacutenico y equilibrio quiacutemico
TRABAJO CASI EN EQUILIBRIO
CALOR
Es la forma de energiacutea que se transmite a traveacutes del liacutemite de un sistema que estaacute a una temperatura a otro sistema (o al medio exterior) a una temperatura mas baja debido a la diferencia de temperatura entre los dos sistemas El calor es una funcioacuten de trayectoria y su diferencial es inexacta luego
COMPARACION ENTRE CALOR Y TRABAJO
Calor y trabajo son ambos fenoacutemenos transitorios Los sistemas nunca tienen calor o trabajo pero cualquiera o ambos cruzan los liacutemites del sistema cuando eacuteste sufre un cambio de estadoAmbos calor y trabajo son fenoacutemenos de liacutemite Ambos se observan solamente en los liacutemites del sistema y ambos representan la energiacutea que cruza el liacutemite del sistema
Ambos calor y trabajo son funciones de trayectoria y diferenciales inexactasPor conveccioacuten +Q representa calor transferido al sistema y que por tanto es energiacutea antildeadida en eacutel y +W representa trabajo efectuado por el sistema y esto representa energiacutea que sale de eacutel
lustracioacuten para indicar diferencia entre calor y trabajo
La energiacutea cruza los liacutemites del sistema porque la temperatura de las paredes es mayor que la temperatura del gas El calor cruza los liacutemites del sistema la electricidad cruza los liacutemites del sistema El trabajo cruza los liacutemites del sistema
La transferencia de calor es el proceso de propagacioacuten del calor en distintos medios La parte de la fiacutesica que estudia estos procesos se llama a su vez Transferencia de calor o Transmisioacuten de calor La transferencia de calor se produce siempre que existe un gradiente teacutermico o cuando dos sistemas con diferentes temperaturas se ponen en contacto El proceso persiste hasta alcanzar el equilibrio teacutermico es decir hasta que se igualan las temperaturas Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos o regiones lo suficientemente proacuteximas la transferencia de calor no puede ser detenida solo puede hacerse maacutes lenta
TRANSFERENCIA DE CALOR
Una barra al rojo vivo transfiere calor al ambiente principalmente por radiacioacuten teacutermica y en menor medida por conveccioacuten
La termodinaacutemica es la ciencia que estudia la relacioacuten entre el calor y otras formas de energiacutea El calor es energiacutea en traacutensito Siempre que existe un gradiente de temperatura en un sistema o se ponen en contacto dos sistemas a diferente temperatura se transfiere energiacutea entre ellos Sabemos de esta transferencia no porque la veamos sino por los cambios que se producen en el o los sistemas La Termodinaacutemica basaacutendose en los estados de cada sistema desde un punto de vista macroscoacutepico es decir en funcioacuten de atributos tales como la presioacuten la temperatura y el volumen que se pueden medir determina si ha habido cambios en la energiacutea interna de los mismos En cumplimiento del Primer principio y descartada la interaccioacuten de trabajo con el exterior la variacioacuten de energiacutea interna solo puede ser debida a calor es decir a transferencia de energiacutea de un sistema al otro
Pero los paraacutemetros macroscoacutepicos solo se pueden medir o tiene valor su medida si es homogeacutenea en todo el sistema lo que solo ocurre si estaacuten en equilibrio La termodinaacutemica por tanto se ocupa de los estados de equilibrio y en funcioacuten de sus diferencias determina la cantidad de energiacutea transferida de un estado al otro pero sin considerar el mecanismo de flujo de calor ni la velocidad a la que se ha realizado la transferencia En un anaacutelisis termodinaacutemico se sabe la cantidad de energiacutea necesaria para pasar de un estado al otro pero no se conoce cuaacutento tiempo ha requerido la transferencia porque el tiempo no se incluye como variable en el anaacutelisis1 Esto es objetivo de otra rama de la ciencia que se conoce como Transferencia de calor
La Transferencia de calor como ciencia tiene como objetivo calcular La velocidad de transferencia de calor para una diferencia de temperatura especiacutefica y no es una misioacuten baladiacute ya que casi cualquier rama de la ingenieriacutea encuentra problemas de transferencia de calor que no podriacutean ser resueltos con uacutenicamente el razonamiento termodinaacutemico
Imagen tomada de una computacioacuten de conveccioacuten en el manto terrestre los colores rojizos representan aacutereas maacutes calientes y los maacutes azules las maacutes friacuteas
bullConduccioacuten Es la transferencia de calor que se produce a traveacutes de un medio material por contacto directo entre sus partiacuteculas cuando existe una diferencia de temperatura y en virtud del movimiento de sus micro partiacuteculas El medio puede ser soacutelido liacutequido o gaseoso aunque en liacutequidos y gases solo se da la conduccioacuten pura si se excluye la posibilidad de conveccioacuten La cantidad de calor que se transfiere por conduccioacuten viene dada por la ley de Fourier Esta ley afirma que la velocidad de conduccioacuten de calor a traveacutes de un cuerpo por unidad de seccioacuten transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo
La conduccioacuten de calor o transmisioacuten de calor por conduccioacuten es un proceso de transmisioacuten de calor basado en el contacto directo entre los cuerpos sin intercambio de materia por el que el calor fluye desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura que estaacute en contacto con el primero La propiedad fiacutesica de los materiales que determina su capacidad para conducir el calor es la conductividad teacutermica La propiedad inversa de la conductividad teacutermica es la resistividad teacutermica que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor
El segundo principio de la termodinaacutemica determina que el calor soacutelo puede fluir de un cuerpo maacutes caliente a uno maacutes friacuteo la ley de Fourier fija cuantitativamente la relacioacuten entre el flujo y las variaciones espacial y temporal de la temperatura
bullConveccioacuten La transmisioacuten de calor por conveccioacuten se compone de dos mecanismos simultaacuteneos El primero es la transferencia de calor por conduccioacuten debida al movimiento molecular a la que se superpone la transferencia de energiacutea por el movimiento de fracciones del fluido que se mueven accionadas por una fuerza externa que puede ser un gradiente de densidad (conveccioacuten natural) o una diferencia de presioacuten producida mecaacutenicamente (conveccioacuten forzada) o una combinacioacuten de ambas La cantidad de calor transferido por conveccioacuten se rige por la ley de enfriamiento de Newton
bullRadiacioacuten se puede atribuir a cambios en las configuraciones electroacutenicas de los aacutetomos o moleacuteculas constitutivas En ausencia de un medio existe una transferencia neta de calor por radiacioacuten entre dos superficies a diferentes temperaturas debido a que todas las superficies con temperatura finita emiten energiacutea en forma de ondas electromagneacuteticas El calor emitido por una superficie en la unidad de tiempo viene dado por la ley de Stefan-Boltzmann
Se denomina radiacioacuten teacutermica o radiacioacuten caloriacutefica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura Todos los cuerpos emiten radiacioacuten electromagneacutetica siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada En lo que respecta a la transferencia de calor la radiacioacuten relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 01microm a 1000microm abarcando por tanto la regioacuten infrarroja del espectro electromagneacuteticoLa materia en un estado condensado (soacutelido o liacutequido) emite un espectro de radiacioacuten continuo La frecuencia de onda emitida por radiacioacuten teacutermica es una funcioacuten de densidad de probabilidad que depende solo de la temperatura
bullLa radiacioacuten infrarroja de un radiador domeacutestico comuacuten o de un calefactor eleacutectrico es un ejemplo de radiacioacuten teacutermicabullLa luz emitida por una laacutempara incandescente La radiacioacuten teacutermica se produce cuando el calor del movimiento de partiacuteculas cargadas dentro de los aacutetomos se convierte en radiacioacuten electromagneacutetica
bullLa aplicacioacuten de la ley de Planck al Sol con una temperatura superficial de unos 6000 K nos lleva a que el 99 de la radiacioacuten emitida estaacute entre las
longitudes de onda 015 (microacutemetros o micras) y 4 micras y su maacuteximo dado por la ley de Wien ocurre a 0475 micras Como 1 Aring = 10-10 m = 10-
4micras resulta que el Sol emite en un rango de 1500 Aring hasta 40000 Aring y el maacuteximo ocurre a 4750 Aring La luz visible se extiende desde 4000 Aring a 7400 Aring La radiacioacuten ultravioleta u ondas cortas iriacutean desde los 1500 Aring a los 4000 Aring y la radiacioacuten infrarroja o radiacioacuten teacutermica u ondas largas desde las 074 micras a 4 micras
Tipos de radiaciones
bullradiacioacuten de radiobullradiacioacuten de microondasbullradiacioacuten infrarrojabullradiacioacuten visiblebullradiacioacuten ultravioletabullradiacioacuten Xbullradiacioacuten gamma (es la que emite maacutes energiacutea y la maacutes peligrosa)
Comemos alimentos
Para mantener nuestras funciones bioloacutegicas
Quemamos combustibles
Para producir energiacutea eleacutectricaPara calentar nuestras casasPara generar potencia en aviones trenes automoacuteviles
Usamos cubitos de hielo
Para enfriar bebidas
Usamos calor Para convertir masa cruda en pan horneado
Todos estos ejemplos nos indican que las reacciones quiacutemicas tienen algo en comuacuten
Las reacciones quiacutemicas implican cambios de energiacuteaLa combustioacuten de la gasolina libera energiacutea
La separacioacuten del agua en hidroacutegeno y oxiacutegeno requiere energiacutea
El estudio de la energiacutea y sus transformaciones se
conoce como TERMO DINAacuteMICAThermeldquocalorrdquo
DynamisldquoPotenciardquo
La invencioacuten del termoacutemetro se atribuye a Galileo aunque el termoacutemetro sellado no aparecioacute hasta 1650
Los oriacutegenes de la Termodinaacutemica como ciencia podriacuteanestablecerse en la eacutepoca de la invencioacuten del termoacutemetro quese atribuye a Galileo En reacciones que se desarrollan bajo condiciones controladas la medicioacuten de las variaciones de temperatura permite deducir los intercambios de calor (calores de reaccioacuten)
Termoacutemetro de cristal basado en el principio fiacutesico de que la densidad de un liacutequido cambia seguacuten la temperatura descubierto por Galileo Galilei (1564-1642) En funcioacuten de los cambios de temperatura las bolas de cristal que se encuentran en el interior del termoacutemetro se desplazan hacia arriba o abajo generandose dos zonas una en la parte superior y otra en la parte inferiorCada bola lleva una placa grabada con la temperatura de correspondencia con la densidad del liacutequidoLa temperatura ambiente es mostrada por la bola mas baja del conjunto de bolas que se encuentra en la zona superior del termoacutemetroRango de 18 a 24ordmC (de 2 en 2 grados)
Los termoacutemetros modernos de alcohol y mercurio fueron inventados por el fiacutesico alemaacuten Gabriel Fahrenheit quien tambieacuten propuso la primera escala de temperaturas ampliamente adoptada que lleva su nombre Punto de fusioacuten del hielo 32ordmF
Punto de ebullicioacuten del agua 212ordmF
212-32=180(La magnitud del grado Fahrenheit es menor que la del grado centiacutegrado)
La escala centiacutegrada o Celsius fue disentildeada por el astroacutenomo sueco
Es utilizada en la mayoriacutea de los paiacutesesEl punto de congelacioacuten es 0 grados (0 ordmC) y el punto de ebullicioacuten es de 100 ordmC
Anders Celsius
Por uacuteltimo la escala de temperaturas absolutas o escala Kelvin tiene su cero a una temperatura de ndash27315ordmC 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 expresioacutenTK = TC + 27315
Este aacuterea de estudio se desarrolloacute mucho con la revolucioacuten industrial
Interesaba conocer las relaciones entre calor trabajo y el contenido energeacutetico de los combustibles
Maximizar el rendimiento de las maacutequinas de vapor
Cientiacuteficos quedestacaron por la realizacioacuten de investigaciones y descubrimientos muy relevantesen relacioacuten a la Termodinaacutemica fueron entre otros Boltzmann Carnot ClapeyronClausius Gibbs Helmholtz Hess Joule Kelvin Maxwellhellip
Sistema y medio ambiente Convenio de signos de
los intercambios energeacuteticos Condiciones estaacutendar
Pueden ocurrir intercambios demateria yo energiacutea entre sistema y medio ambiente pero eacutestos deben ser controlados
ldquoexperimentordquo
sistema
medio ambiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema
son positivos
Tanto el calor perdido
por el sistema como el
trabajo efectuado por
el sistema sobre su
entorno son negativos
El convenio de signos para los intercambios de energiacutea en forma de calor y trabajo entre sistema y medio ambiente es el siguiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema son positivos aumentan su energiacutea
Tanto el calor perdido por el sistema como el trabajo efectuado por el sistema sobre su entorno son negativos reducen la energiacutea del sistema
qgt0wgt0
qlt0wlt0
qgt0wgt0
qlt0wlt0
E
EL QUIacuteMICO ES EL SISTEMA y lo ve desde dentro
El FIacuteSICO lo ve desde fuera
El quiacutemico ve el sistema desde dentro como si EL fuese el sistema
Por ejemplo un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre ambas partes del universo
La Termodinaacutemica se relaciona con los estados de equilibrioUn estado de equilibrio es aqueacutel en el que las propiedades macroscoacutepicas del sistema temperatura densidad composicioacuten quiacutemica etc estaacuten bien definidas y no variacutean
La Termodinaacutemica permite discernir si es posible pasar de un estado de equilibrio a otro pero no la velocidad de dicha transformacioacuten
Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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 funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
FORMATObull ARIAL 12bull INTERLINIADO 15 williamrubergmailcom
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El vapor de agua es un gas obtenido por evaporacioacuten de cierta cantidad de agua en estado liacutequido al igual que en el caso del aire seco es posible asumir que se comporta como gas ideal en intervalos de presioacuten y temperatura moderados generalmente inferiores a 003 bar y 65 deg C Bajo estas condiciones se calculan sus propiedades fiacutesicasVolumen especiacutefico del vapor de agua El volumen especiacutefico se encuentra en funcioacuten de la temperatura y presioacuten mediante la siguiente ecuacioacuten
Donde R toma el valor de 46152m3PakgK Vv es el volumen especiacutefico en m3kg pv es la presioacuten parcial del vapor de agua y T es la temperatura absoluta en KCalor especifico del vapor de agua Para un rango de temperatura entre -70degC y 120degC se ha encontrado que es posible trabajar con un calor especifico promedio para el vapor de agua de 186kJkgdegC Sin embargo recuerde que si requiere mayor exactitud es conveniente calcular este valor a traveacutes de la correlacioacuten polinoacutemica basada en la temperatura
TRABAJO Y CALOR
DEFINICIOacuteN DE TRABAJO Y CALOR
Son intercambios energeacuteticos que tienen lugar como consecuencia de las interacciones que pueden experimentar los sistemas termodinaacutemicos Tanto el calor como el trabajo son manifestaciones externas de la energiacutea y uacutenicamente se evidencian en las fronteras de los sistemas y solamente apareceraacuten cuando estos experimenten cambios en sus estados termodinaacutemicos
En las interacciones que experimentan los sistemas estos pueden recibir o ceder energiacutea La energiacutea se considera como una magnitud algebraica establecieacutendose el siguiente criterio trabajo que proporciona el sistema positivo y el que recibe negativo Asiacute mismo el calor suministrado al sistema se considera positivo y el cedido por eacutel negativo
Criterio de signos para el intercambio energeacutetico
TRABAJO
Definicioacuten mecaacutenica de trabajo
Es el producto de una fuerza por la distancia recorrida en la direccioacuten de la fuerza
Definicioacuten termodinaacutemica de trabajo
Un sistema realiza trabajo durante un proceso si el uacutenico efecto en el medio exterior pudiese ser el levantamiento de un peso Ejm un sistema formado por una bateriacutea y un motor En los liacutemites del sistema se observa el trabajo entregado por el motor a la rueda de paletas Si se sustituye la rueda de paletas por un conjunto de peso-polea el uacutenico efecto externo a la frontera del sistema seraacute el levantamiento de un peso
Ilustracioacuten del trabajo de la rueda de paletas
TRABAJO DE UN SISTEMA
Consideremos un arreglo cilindro-pistoacuten que encierra una cierta masa de gas que ejerce presioacuten sobre la cara del pistoacuten de superficie A Si el pistoacuten se desplaza hacia la izquierda debido a la aplicacioacuten de una fuerza F externa se diraacute que los alrededores ejercen trabajo sobre el gas y su valor infinitesimal seraacute
Dicieacutendose en este caso que el gas ha sido comprimido
Trabajo mecaacutenico que se asocia con el movimiento de la frontera de un dispositivo cilindro-pistoacuten
El trabajo se puede expresar como
En termodinaacutemica se dice que un sistema se encuentra en estado de equilibrio termodinaacutemico si es incapaz de experimentar espontaacuteneamente alguacuten cambio de estado o proceso termodinaacutemico cuando estaacute sometido a unas determinadas condiciones de contorno (las condiciones que le imponen sus alrededores) Para ello ha de encontrarse simultaacuteneamente en equilibrio teacutermico equilibrio mecaacutenico y equilibrio quiacutemico
TRABAJO CASI EN EQUILIBRIO
CALOR
Es la forma de energiacutea que se transmite a traveacutes del liacutemite de un sistema que estaacute a una temperatura a otro sistema (o al medio exterior) a una temperatura mas baja debido a la diferencia de temperatura entre los dos sistemas El calor es una funcioacuten de trayectoria y su diferencial es inexacta luego
COMPARACION ENTRE CALOR Y TRABAJO
Calor y trabajo son ambos fenoacutemenos transitorios Los sistemas nunca tienen calor o trabajo pero cualquiera o ambos cruzan los liacutemites del sistema cuando eacuteste sufre un cambio de estadoAmbos calor y trabajo son fenoacutemenos de liacutemite Ambos se observan solamente en los liacutemites del sistema y ambos representan la energiacutea que cruza el liacutemite del sistema
Ambos calor y trabajo son funciones de trayectoria y diferenciales inexactasPor conveccioacuten +Q representa calor transferido al sistema y que por tanto es energiacutea antildeadida en eacutel y +W representa trabajo efectuado por el sistema y esto representa energiacutea que sale de eacutel
lustracioacuten para indicar diferencia entre calor y trabajo
La energiacutea cruza los liacutemites del sistema porque la temperatura de las paredes es mayor que la temperatura del gas El calor cruza los liacutemites del sistema la electricidad cruza los liacutemites del sistema El trabajo cruza los liacutemites del sistema
La transferencia de calor es el proceso de propagacioacuten del calor en distintos medios La parte de la fiacutesica que estudia estos procesos se llama a su vez Transferencia de calor o Transmisioacuten de calor La transferencia de calor se produce siempre que existe un gradiente teacutermico o cuando dos sistemas con diferentes temperaturas se ponen en contacto El proceso persiste hasta alcanzar el equilibrio teacutermico es decir hasta que se igualan las temperaturas Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos o regiones lo suficientemente proacuteximas la transferencia de calor no puede ser detenida solo puede hacerse maacutes lenta
TRANSFERENCIA DE CALOR
Una barra al rojo vivo transfiere calor al ambiente principalmente por radiacioacuten teacutermica y en menor medida por conveccioacuten
La termodinaacutemica es la ciencia que estudia la relacioacuten entre el calor y otras formas de energiacutea El calor es energiacutea en traacutensito Siempre que existe un gradiente de temperatura en un sistema o se ponen en contacto dos sistemas a diferente temperatura se transfiere energiacutea entre ellos Sabemos de esta transferencia no porque la veamos sino por los cambios que se producen en el o los sistemas La Termodinaacutemica basaacutendose en los estados de cada sistema desde un punto de vista macroscoacutepico es decir en funcioacuten de atributos tales como la presioacuten la temperatura y el volumen que se pueden medir determina si ha habido cambios en la energiacutea interna de los mismos En cumplimiento del Primer principio y descartada la interaccioacuten de trabajo con el exterior la variacioacuten de energiacutea interna solo puede ser debida a calor es decir a transferencia de energiacutea de un sistema al otro
Pero los paraacutemetros macroscoacutepicos solo se pueden medir o tiene valor su medida si es homogeacutenea en todo el sistema lo que solo ocurre si estaacuten en equilibrio La termodinaacutemica por tanto se ocupa de los estados de equilibrio y en funcioacuten de sus diferencias determina la cantidad de energiacutea transferida de un estado al otro pero sin considerar el mecanismo de flujo de calor ni la velocidad a la que se ha realizado la transferencia En un anaacutelisis termodinaacutemico se sabe la cantidad de energiacutea necesaria para pasar de un estado al otro pero no se conoce cuaacutento tiempo ha requerido la transferencia porque el tiempo no se incluye como variable en el anaacutelisis1 Esto es objetivo de otra rama de la ciencia que se conoce como Transferencia de calor
La Transferencia de calor como ciencia tiene como objetivo calcular La velocidad de transferencia de calor para una diferencia de temperatura especiacutefica y no es una misioacuten baladiacute ya que casi cualquier rama de la ingenieriacutea encuentra problemas de transferencia de calor que no podriacutean ser resueltos con uacutenicamente el razonamiento termodinaacutemico
Imagen tomada de una computacioacuten de conveccioacuten en el manto terrestre los colores rojizos representan aacutereas maacutes calientes y los maacutes azules las maacutes friacuteas
bullConduccioacuten Es la transferencia de calor que se produce a traveacutes de un medio material por contacto directo entre sus partiacuteculas cuando existe una diferencia de temperatura y en virtud del movimiento de sus micro partiacuteculas El medio puede ser soacutelido liacutequido o gaseoso aunque en liacutequidos y gases solo se da la conduccioacuten pura si se excluye la posibilidad de conveccioacuten La cantidad de calor que se transfiere por conduccioacuten viene dada por la ley de Fourier Esta ley afirma que la velocidad de conduccioacuten de calor a traveacutes de un cuerpo por unidad de seccioacuten transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo
La conduccioacuten de calor o transmisioacuten de calor por conduccioacuten es un proceso de transmisioacuten de calor basado en el contacto directo entre los cuerpos sin intercambio de materia por el que el calor fluye desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura que estaacute en contacto con el primero La propiedad fiacutesica de los materiales que determina su capacidad para conducir el calor es la conductividad teacutermica La propiedad inversa de la conductividad teacutermica es la resistividad teacutermica que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor
El segundo principio de la termodinaacutemica determina que el calor soacutelo puede fluir de un cuerpo maacutes caliente a uno maacutes friacuteo la ley de Fourier fija cuantitativamente la relacioacuten entre el flujo y las variaciones espacial y temporal de la temperatura
bullConveccioacuten La transmisioacuten de calor por conveccioacuten se compone de dos mecanismos simultaacuteneos El primero es la transferencia de calor por conduccioacuten debida al movimiento molecular a la que se superpone la transferencia de energiacutea por el movimiento de fracciones del fluido que se mueven accionadas por una fuerza externa que puede ser un gradiente de densidad (conveccioacuten natural) o una diferencia de presioacuten producida mecaacutenicamente (conveccioacuten forzada) o una combinacioacuten de ambas La cantidad de calor transferido por conveccioacuten se rige por la ley de enfriamiento de Newton
bullRadiacioacuten se puede atribuir a cambios en las configuraciones electroacutenicas de los aacutetomos o moleacuteculas constitutivas En ausencia de un medio existe una transferencia neta de calor por radiacioacuten entre dos superficies a diferentes temperaturas debido a que todas las superficies con temperatura finita emiten energiacutea en forma de ondas electromagneacuteticas El calor emitido por una superficie en la unidad de tiempo viene dado por la ley de Stefan-Boltzmann
Se denomina radiacioacuten teacutermica o radiacioacuten caloriacutefica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura Todos los cuerpos emiten radiacioacuten electromagneacutetica siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada En lo que respecta a la transferencia de calor la radiacioacuten relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 01microm a 1000microm abarcando por tanto la regioacuten infrarroja del espectro electromagneacuteticoLa materia en un estado condensado (soacutelido o liacutequido) emite un espectro de radiacioacuten continuo La frecuencia de onda emitida por radiacioacuten teacutermica es una funcioacuten de densidad de probabilidad que depende solo de la temperatura
bullLa radiacioacuten infrarroja de un radiador domeacutestico comuacuten o de un calefactor eleacutectrico es un ejemplo de radiacioacuten teacutermicabullLa luz emitida por una laacutempara incandescente La radiacioacuten teacutermica se produce cuando el calor del movimiento de partiacuteculas cargadas dentro de los aacutetomos se convierte en radiacioacuten electromagneacutetica
bullLa aplicacioacuten de la ley de Planck al Sol con una temperatura superficial de unos 6000 K nos lleva a que el 99 de la radiacioacuten emitida estaacute entre las
longitudes de onda 015 (microacutemetros o micras) y 4 micras y su maacuteximo dado por la ley de Wien ocurre a 0475 micras Como 1 Aring = 10-10 m = 10-
4micras resulta que el Sol emite en un rango de 1500 Aring hasta 40000 Aring y el maacuteximo ocurre a 4750 Aring La luz visible se extiende desde 4000 Aring a 7400 Aring La radiacioacuten ultravioleta u ondas cortas iriacutean desde los 1500 Aring a los 4000 Aring y la radiacioacuten infrarroja o radiacioacuten teacutermica u ondas largas desde las 074 micras a 4 micras
Tipos de radiaciones
bullradiacioacuten de radiobullradiacioacuten de microondasbullradiacioacuten infrarrojabullradiacioacuten visiblebullradiacioacuten ultravioletabullradiacioacuten Xbullradiacioacuten gamma (es la que emite maacutes energiacutea y la maacutes peligrosa)
Comemos alimentos
Para mantener nuestras funciones bioloacutegicas
Quemamos combustibles
Para producir energiacutea eleacutectricaPara calentar nuestras casasPara generar potencia en aviones trenes automoacuteviles
Usamos cubitos de hielo
Para enfriar bebidas
Usamos calor Para convertir masa cruda en pan horneado
Todos estos ejemplos nos indican que las reacciones quiacutemicas tienen algo en comuacuten
Las reacciones quiacutemicas implican cambios de energiacuteaLa combustioacuten de la gasolina libera energiacutea
La separacioacuten del agua en hidroacutegeno y oxiacutegeno requiere energiacutea
El estudio de la energiacutea y sus transformaciones se
conoce como TERMO DINAacuteMICAThermeldquocalorrdquo
DynamisldquoPotenciardquo
La invencioacuten del termoacutemetro se atribuye a Galileo aunque el termoacutemetro sellado no aparecioacute hasta 1650
Los oriacutegenes de la Termodinaacutemica como ciencia podriacuteanestablecerse en la eacutepoca de la invencioacuten del termoacutemetro quese atribuye a Galileo En reacciones que se desarrollan bajo condiciones controladas la medicioacuten de las variaciones de temperatura permite deducir los intercambios de calor (calores de reaccioacuten)
Termoacutemetro de cristal basado en el principio fiacutesico de que la densidad de un liacutequido cambia seguacuten la temperatura descubierto por Galileo Galilei (1564-1642) En funcioacuten de los cambios de temperatura las bolas de cristal que se encuentran en el interior del termoacutemetro se desplazan hacia arriba o abajo generandose dos zonas una en la parte superior y otra en la parte inferiorCada bola lleva una placa grabada con la temperatura de correspondencia con la densidad del liacutequidoLa temperatura ambiente es mostrada por la bola mas baja del conjunto de bolas que se encuentra en la zona superior del termoacutemetroRango de 18 a 24ordmC (de 2 en 2 grados)
Los termoacutemetros modernos de alcohol y mercurio fueron inventados por el fiacutesico alemaacuten Gabriel Fahrenheit quien tambieacuten propuso la primera escala de temperaturas ampliamente adoptada que lleva su nombre Punto de fusioacuten del hielo 32ordmF
Punto de ebullicioacuten del agua 212ordmF
212-32=180(La magnitud del grado Fahrenheit es menor que la del grado centiacutegrado)
La escala centiacutegrada o Celsius fue disentildeada por el astroacutenomo sueco
Es utilizada en la mayoriacutea de los paiacutesesEl punto de congelacioacuten es 0 grados (0 ordmC) y el punto de ebullicioacuten es de 100 ordmC
Anders Celsius
Por uacuteltimo la escala de temperaturas absolutas o escala Kelvin tiene su cero a una temperatura de ndash27315ordmC 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 expresioacutenTK = TC + 27315
Este aacuterea de estudio se desarrolloacute mucho con la revolucioacuten industrial
Interesaba conocer las relaciones entre calor trabajo y el contenido energeacutetico de los combustibles
Maximizar el rendimiento de las maacutequinas de vapor
Cientiacuteficos quedestacaron por la realizacioacuten de investigaciones y descubrimientos muy relevantesen relacioacuten a la Termodinaacutemica fueron entre otros Boltzmann Carnot ClapeyronClausius Gibbs Helmholtz Hess Joule Kelvin Maxwellhellip
Sistema y medio ambiente Convenio de signos de
los intercambios energeacuteticos Condiciones estaacutendar
Pueden ocurrir intercambios demateria yo energiacutea entre sistema y medio ambiente pero eacutestos deben ser controlados
ldquoexperimentordquo
sistema
medio ambiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema
son positivos
Tanto el calor perdido
por el sistema como el
trabajo efectuado por
el sistema sobre su
entorno son negativos
El convenio de signos para los intercambios de energiacutea en forma de calor y trabajo entre sistema y medio ambiente es el siguiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema son positivos aumentan su energiacutea
Tanto el calor perdido por el sistema como el trabajo efectuado por el sistema sobre su entorno son negativos reducen la energiacutea del sistema
qgt0wgt0
qlt0wlt0
qgt0wgt0
qlt0wlt0
E
EL QUIacuteMICO ES EL SISTEMA y lo ve desde dentro
El FIacuteSICO lo ve desde fuera
El quiacutemico ve el sistema desde dentro como si EL fuese el sistema
Por ejemplo un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre ambas partes del universo
La Termodinaacutemica se relaciona con los estados de equilibrioUn estado de equilibrio es aqueacutel en el que las propiedades macroscoacutepicas del sistema temperatura densidad composicioacuten quiacutemica etc estaacuten bien definidas y no variacutean
La Termodinaacutemica permite discernir si es posible pasar de un estado de equilibrio a otro pero no la velocidad de dicha transformacioacuten
Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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 funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
FORMATObull ARIAL 12bull INTERLINIADO 15 williamrubergmailcom
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Donde R toma el valor de 46152m3PakgK Vv es el volumen especiacutefico en m3kg pv es la presioacuten parcial del vapor de agua y T es la temperatura absoluta en KCalor especifico del vapor de agua Para un rango de temperatura entre -70degC y 120degC se ha encontrado que es posible trabajar con un calor especifico promedio para el vapor de agua de 186kJkgdegC Sin embargo recuerde que si requiere mayor exactitud es conveniente calcular este valor a traveacutes de la correlacioacuten polinoacutemica basada en la temperatura
TRABAJO Y CALOR
DEFINICIOacuteN DE TRABAJO Y CALOR
Son intercambios energeacuteticos que tienen lugar como consecuencia de las interacciones que pueden experimentar los sistemas termodinaacutemicos Tanto el calor como el trabajo son manifestaciones externas de la energiacutea y uacutenicamente se evidencian en las fronteras de los sistemas y solamente apareceraacuten cuando estos experimenten cambios en sus estados termodinaacutemicos
En las interacciones que experimentan los sistemas estos pueden recibir o ceder energiacutea La energiacutea se considera como una magnitud algebraica establecieacutendose el siguiente criterio trabajo que proporciona el sistema positivo y el que recibe negativo Asiacute mismo el calor suministrado al sistema se considera positivo y el cedido por eacutel negativo
Criterio de signos para el intercambio energeacutetico
TRABAJO
Definicioacuten mecaacutenica de trabajo
Es el producto de una fuerza por la distancia recorrida en la direccioacuten de la fuerza
Definicioacuten termodinaacutemica de trabajo
Un sistema realiza trabajo durante un proceso si el uacutenico efecto en el medio exterior pudiese ser el levantamiento de un peso Ejm un sistema formado por una bateriacutea y un motor En los liacutemites del sistema se observa el trabajo entregado por el motor a la rueda de paletas Si se sustituye la rueda de paletas por un conjunto de peso-polea el uacutenico efecto externo a la frontera del sistema seraacute el levantamiento de un peso
Ilustracioacuten del trabajo de la rueda de paletas
TRABAJO DE UN SISTEMA
Consideremos un arreglo cilindro-pistoacuten que encierra una cierta masa de gas que ejerce presioacuten sobre la cara del pistoacuten de superficie A Si el pistoacuten se desplaza hacia la izquierda debido a la aplicacioacuten de una fuerza F externa se diraacute que los alrededores ejercen trabajo sobre el gas y su valor infinitesimal seraacute
Dicieacutendose en este caso que el gas ha sido comprimido
Trabajo mecaacutenico que se asocia con el movimiento de la frontera de un dispositivo cilindro-pistoacuten
El trabajo se puede expresar como
En termodinaacutemica se dice que un sistema se encuentra en estado de equilibrio termodinaacutemico si es incapaz de experimentar espontaacuteneamente alguacuten cambio de estado o proceso termodinaacutemico cuando estaacute sometido a unas determinadas condiciones de contorno (las condiciones que le imponen sus alrededores) Para ello ha de encontrarse simultaacuteneamente en equilibrio teacutermico equilibrio mecaacutenico y equilibrio quiacutemico
TRABAJO CASI EN EQUILIBRIO
CALOR
Es la forma de energiacutea que se transmite a traveacutes del liacutemite de un sistema que estaacute a una temperatura a otro sistema (o al medio exterior) a una temperatura mas baja debido a la diferencia de temperatura entre los dos sistemas El calor es una funcioacuten de trayectoria y su diferencial es inexacta luego
COMPARACION ENTRE CALOR Y TRABAJO
Calor y trabajo son ambos fenoacutemenos transitorios Los sistemas nunca tienen calor o trabajo pero cualquiera o ambos cruzan los liacutemites del sistema cuando eacuteste sufre un cambio de estadoAmbos calor y trabajo son fenoacutemenos de liacutemite Ambos se observan solamente en los liacutemites del sistema y ambos representan la energiacutea que cruza el liacutemite del sistema
Ambos calor y trabajo son funciones de trayectoria y diferenciales inexactasPor conveccioacuten +Q representa calor transferido al sistema y que por tanto es energiacutea antildeadida en eacutel y +W representa trabajo efectuado por el sistema y esto representa energiacutea que sale de eacutel
lustracioacuten para indicar diferencia entre calor y trabajo
La energiacutea cruza los liacutemites del sistema porque la temperatura de las paredes es mayor que la temperatura del gas El calor cruza los liacutemites del sistema la electricidad cruza los liacutemites del sistema El trabajo cruza los liacutemites del sistema
La transferencia de calor es el proceso de propagacioacuten del calor en distintos medios La parte de la fiacutesica que estudia estos procesos se llama a su vez Transferencia de calor o Transmisioacuten de calor La transferencia de calor se produce siempre que existe un gradiente teacutermico o cuando dos sistemas con diferentes temperaturas se ponen en contacto El proceso persiste hasta alcanzar el equilibrio teacutermico es decir hasta que se igualan las temperaturas Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos o regiones lo suficientemente proacuteximas la transferencia de calor no puede ser detenida solo puede hacerse maacutes lenta
TRANSFERENCIA DE CALOR
Una barra al rojo vivo transfiere calor al ambiente principalmente por radiacioacuten teacutermica y en menor medida por conveccioacuten
La termodinaacutemica es la ciencia que estudia la relacioacuten entre el calor y otras formas de energiacutea El calor es energiacutea en traacutensito Siempre que existe un gradiente de temperatura en un sistema o se ponen en contacto dos sistemas a diferente temperatura se transfiere energiacutea entre ellos Sabemos de esta transferencia no porque la veamos sino por los cambios que se producen en el o los sistemas La Termodinaacutemica basaacutendose en los estados de cada sistema desde un punto de vista macroscoacutepico es decir en funcioacuten de atributos tales como la presioacuten la temperatura y el volumen que se pueden medir determina si ha habido cambios en la energiacutea interna de los mismos En cumplimiento del Primer principio y descartada la interaccioacuten de trabajo con el exterior la variacioacuten de energiacutea interna solo puede ser debida a calor es decir a transferencia de energiacutea de un sistema al otro
Pero los paraacutemetros macroscoacutepicos solo se pueden medir o tiene valor su medida si es homogeacutenea en todo el sistema lo que solo ocurre si estaacuten en equilibrio La termodinaacutemica por tanto se ocupa de los estados de equilibrio y en funcioacuten de sus diferencias determina la cantidad de energiacutea transferida de un estado al otro pero sin considerar el mecanismo de flujo de calor ni la velocidad a la que se ha realizado la transferencia En un anaacutelisis termodinaacutemico se sabe la cantidad de energiacutea necesaria para pasar de un estado al otro pero no se conoce cuaacutento tiempo ha requerido la transferencia porque el tiempo no se incluye como variable en el anaacutelisis1 Esto es objetivo de otra rama de la ciencia que se conoce como Transferencia de calor
La Transferencia de calor como ciencia tiene como objetivo calcular La velocidad de transferencia de calor para una diferencia de temperatura especiacutefica y no es una misioacuten baladiacute ya que casi cualquier rama de la ingenieriacutea encuentra problemas de transferencia de calor que no podriacutean ser resueltos con uacutenicamente el razonamiento termodinaacutemico
Imagen tomada de una computacioacuten de conveccioacuten en el manto terrestre los colores rojizos representan aacutereas maacutes calientes y los maacutes azules las maacutes friacuteas
bullConduccioacuten Es la transferencia de calor que se produce a traveacutes de un medio material por contacto directo entre sus partiacuteculas cuando existe una diferencia de temperatura y en virtud del movimiento de sus micro partiacuteculas El medio puede ser soacutelido liacutequido o gaseoso aunque en liacutequidos y gases solo se da la conduccioacuten pura si se excluye la posibilidad de conveccioacuten La cantidad de calor que se transfiere por conduccioacuten viene dada por la ley de Fourier Esta ley afirma que la velocidad de conduccioacuten de calor a traveacutes de un cuerpo por unidad de seccioacuten transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo
La conduccioacuten de calor o transmisioacuten de calor por conduccioacuten es un proceso de transmisioacuten de calor basado en el contacto directo entre los cuerpos sin intercambio de materia por el que el calor fluye desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura que estaacute en contacto con el primero La propiedad fiacutesica de los materiales que determina su capacidad para conducir el calor es la conductividad teacutermica La propiedad inversa de la conductividad teacutermica es la resistividad teacutermica que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor
El segundo principio de la termodinaacutemica determina que el calor soacutelo puede fluir de un cuerpo maacutes caliente a uno maacutes friacuteo la ley de Fourier fija cuantitativamente la relacioacuten entre el flujo y las variaciones espacial y temporal de la temperatura
bullConveccioacuten La transmisioacuten de calor por conveccioacuten se compone de dos mecanismos simultaacuteneos El primero es la transferencia de calor por conduccioacuten debida al movimiento molecular a la que se superpone la transferencia de energiacutea por el movimiento de fracciones del fluido que se mueven accionadas por una fuerza externa que puede ser un gradiente de densidad (conveccioacuten natural) o una diferencia de presioacuten producida mecaacutenicamente (conveccioacuten forzada) o una combinacioacuten de ambas La cantidad de calor transferido por conveccioacuten se rige por la ley de enfriamiento de Newton
bullRadiacioacuten se puede atribuir a cambios en las configuraciones electroacutenicas de los aacutetomos o moleacuteculas constitutivas En ausencia de un medio existe una transferencia neta de calor por radiacioacuten entre dos superficies a diferentes temperaturas debido a que todas las superficies con temperatura finita emiten energiacutea en forma de ondas electromagneacuteticas El calor emitido por una superficie en la unidad de tiempo viene dado por la ley de Stefan-Boltzmann
Se denomina radiacioacuten teacutermica o radiacioacuten caloriacutefica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura Todos los cuerpos emiten radiacioacuten electromagneacutetica siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada En lo que respecta a la transferencia de calor la radiacioacuten relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 01microm a 1000microm abarcando por tanto la regioacuten infrarroja del espectro electromagneacuteticoLa materia en un estado condensado (soacutelido o liacutequido) emite un espectro de radiacioacuten continuo La frecuencia de onda emitida por radiacioacuten teacutermica es una funcioacuten de densidad de probabilidad que depende solo de la temperatura
bullLa radiacioacuten infrarroja de un radiador domeacutestico comuacuten o de un calefactor eleacutectrico es un ejemplo de radiacioacuten teacutermicabullLa luz emitida por una laacutempara incandescente La radiacioacuten teacutermica se produce cuando el calor del movimiento de partiacuteculas cargadas dentro de los aacutetomos se convierte en radiacioacuten electromagneacutetica
bullLa aplicacioacuten de la ley de Planck al Sol con una temperatura superficial de unos 6000 K nos lleva a que el 99 de la radiacioacuten emitida estaacute entre las
longitudes de onda 015 (microacutemetros o micras) y 4 micras y su maacuteximo dado por la ley de Wien ocurre a 0475 micras Como 1 Aring = 10-10 m = 10-
4micras resulta que el Sol emite en un rango de 1500 Aring hasta 40000 Aring y el maacuteximo ocurre a 4750 Aring La luz visible se extiende desde 4000 Aring a 7400 Aring La radiacioacuten ultravioleta u ondas cortas iriacutean desde los 1500 Aring a los 4000 Aring y la radiacioacuten infrarroja o radiacioacuten teacutermica u ondas largas desde las 074 micras a 4 micras
Tipos de radiaciones
bullradiacioacuten de radiobullradiacioacuten de microondasbullradiacioacuten infrarrojabullradiacioacuten visiblebullradiacioacuten ultravioletabullradiacioacuten Xbullradiacioacuten gamma (es la que emite maacutes energiacutea y la maacutes peligrosa)
Comemos alimentos
Para mantener nuestras funciones bioloacutegicas
Quemamos combustibles
Para producir energiacutea eleacutectricaPara calentar nuestras casasPara generar potencia en aviones trenes automoacuteviles
Usamos cubitos de hielo
Para enfriar bebidas
Usamos calor Para convertir masa cruda en pan horneado
Todos estos ejemplos nos indican que las reacciones quiacutemicas tienen algo en comuacuten
Las reacciones quiacutemicas implican cambios de energiacuteaLa combustioacuten de la gasolina libera energiacutea
La separacioacuten del agua en hidroacutegeno y oxiacutegeno requiere energiacutea
El estudio de la energiacutea y sus transformaciones se
conoce como TERMO DINAacuteMICAThermeldquocalorrdquo
DynamisldquoPotenciardquo
La invencioacuten del termoacutemetro se atribuye a Galileo aunque el termoacutemetro sellado no aparecioacute hasta 1650
Los oriacutegenes de la Termodinaacutemica como ciencia podriacuteanestablecerse en la eacutepoca de la invencioacuten del termoacutemetro quese atribuye a Galileo En reacciones que se desarrollan bajo condiciones controladas la medicioacuten de las variaciones de temperatura permite deducir los intercambios de calor (calores de reaccioacuten)
Termoacutemetro de cristal basado en el principio fiacutesico de que la densidad de un liacutequido cambia seguacuten la temperatura descubierto por Galileo Galilei (1564-1642) En funcioacuten de los cambios de temperatura las bolas de cristal que se encuentran en el interior del termoacutemetro se desplazan hacia arriba o abajo generandose dos zonas una en la parte superior y otra en la parte inferiorCada bola lleva una placa grabada con la temperatura de correspondencia con la densidad del liacutequidoLa temperatura ambiente es mostrada por la bola mas baja del conjunto de bolas que se encuentra en la zona superior del termoacutemetroRango de 18 a 24ordmC (de 2 en 2 grados)
Los termoacutemetros modernos de alcohol y mercurio fueron inventados por el fiacutesico alemaacuten Gabriel Fahrenheit quien tambieacuten propuso la primera escala de temperaturas ampliamente adoptada que lleva su nombre Punto de fusioacuten del hielo 32ordmF
Punto de ebullicioacuten del agua 212ordmF
212-32=180(La magnitud del grado Fahrenheit es menor que la del grado centiacutegrado)
La escala centiacutegrada o Celsius fue disentildeada por el astroacutenomo sueco
Es utilizada en la mayoriacutea de los paiacutesesEl punto de congelacioacuten es 0 grados (0 ordmC) y el punto de ebullicioacuten es de 100 ordmC
Anders Celsius
Por uacuteltimo la escala de temperaturas absolutas o escala Kelvin tiene su cero a una temperatura de ndash27315ordmC 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 expresioacutenTK = TC + 27315
Este aacuterea de estudio se desarrolloacute mucho con la revolucioacuten industrial
Interesaba conocer las relaciones entre calor trabajo y el contenido energeacutetico de los combustibles
Maximizar el rendimiento de las maacutequinas de vapor
Cientiacuteficos quedestacaron por la realizacioacuten de investigaciones y descubrimientos muy relevantesen relacioacuten a la Termodinaacutemica fueron entre otros Boltzmann Carnot ClapeyronClausius Gibbs Helmholtz Hess Joule Kelvin Maxwellhellip
Sistema y medio ambiente Convenio de signos de
los intercambios energeacuteticos Condiciones estaacutendar
Pueden ocurrir intercambios demateria yo energiacutea entre sistema y medio ambiente pero eacutestos deben ser controlados
ldquoexperimentordquo
sistema
medio ambiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema
son positivos
Tanto el calor perdido
por el sistema como el
trabajo efectuado por
el sistema sobre su
entorno son negativos
El convenio de signos para los intercambios de energiacutea en forma de calor y trabajo entre sistema y medio ambiente es el siguiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema son positivos aumentan su energiacutea
Tanto el calor perdido por el sistema como el trabajo efectuado por el sistema sobre su entorno son negativos reducen la energiacutea del sistema
qgt0wgt0
qlt0wlt0
qgt0wgt0
qlt0wlt0
E
EL QUIacuteMICO ES EL SISTEMA y lo ve desde dentro
El FIacuteSICO lo ve desde fuera
El quiacutemico ve el sistema desde dentro como si EL fuese el sistema
Por ejemplo un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre ambas partes del universo
La Termodinaacutemica se relaciona con los estados de equilibrioUn estado de equilibrio es aqueacutel en el que las propiedades macroscoacutepicas del sistema temperatura densidad composicioacuten quiacutemica etc estaacuten bien definidas y no variacutean
La Termodinaacutemica permite discernir si es posible pasar de un estado de equilibrio a otro pero no la velocidad de dicha transformacioacuten
Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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 funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
FORMATObull ARIAL 12bull INTERLINIADO 15 williamrubergmailcom
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TRABAJO Y CALOR
DEFINICIOacuteN DE TRABAJO Y CALOR
Son intercambios energeacuteticos que tienen lugar como consecuencia de las interacciones que pueden experimentar los sistemas termodinaacutemicos Tanto el calor como el trabajo son manifestaciones externas de la energiacutea y uacutenicamente se evidencian en las fronteras de los sistemas y solamente apareceraacuten cuando estos experimenten cambios en sus estados termodinaacutemicos
En las interacciones que experimentan los sistemas estos pueden recibir o ceder energiacutea La energiacutea se considera como una magnitud algebraica establecieacutendose el siguiente criterio trabajo que proporciona el sistema positivo y el que recibe negativo Asiacute mismo el calor suministrado al sistema se considera positivo y el cedido por eacutel negativo
Criterio de signos para el intercambio energeacutetico
TRABAJO
Definicioacuten mecaacutenica de trabajo
Es el producto de una fuerza por la distancia recorrida en la direccioacuten de la fuerza
Definicioacuten termodinaacutemica de trabajo
Un sistema realiza trabajo durante un proceso si el uacutenico efecto en el medio exterior pudiese ser el levantamiento de un peso Ejm un sistema formado por una bateriacutea y un motor En los liacutemites del sistema se observa el trabajo entregado por el motor a la rueda de paletas Si se sustituye la rueda de paletas por un conjunto de peso-polea el uacutenico efecto externo a la frontera del sistema seraacute el levantamiento de un peso
Ilustracioacuten del trabajo de la rueda de paletas
TRABAJO DE UN SISTEMA
Consideremos un arreglo cilindro-pistoacuten que encierra una cierta masa de gas que ejerce presioacuten sobre la cara del pistoacuten de superficie A Si el pistoacuten se desplaza hacia la izquierda debido a la aplicacioacuten de una fuerza F externa se diraacute que los alrededores ejercen trabajo sobre el gas y su valor infinitesimal seraacute
Dicieacutendose en este caso que el gas ha sido comprimido
Trabajo mecaacutenico que se asocia con el movimiento de la frontera de un dispositivo cilindro-pistoacuten
El trabajo se puede expresar como
En termodinaacutemica se dice que un sistema se encuentra en estado de equilibrio termodinaacutemico si es incapaz de experimentar espontaacuteneamente alguacuten cambio de estado o proceso termodinaacutemico cuando estaacute sometido a unas determinadas condiciones de contorno (las condiciones que le imponen sus alrededores) Para ello ha de encontrarse simultaacuteneamente en equilibrio teacutermico equilibrio mecaacutenico y equilibrio quiacutemico
TRABAJO CASI EN EQUILIBRIO
CALOR
Es la forma de energiacutea que se transmite a traveacutes del liacutemite de un sistema que estaacute a una temperatura a otro sistema (o al medio exterior) a una temperatura mas baja debido a la diferencia de temperatura entre los dos sistemas El calor es una funcioacuten de trayectoria y su diferencial es inexacta luego
COMPARACION ENTRE CALOR Y TRABAJO
Calor y trabajo son ambos fenoacutemenos transitorios Los sistemas nunca tienen calor o trabajo pero cualquiera o ambos cruzan los liacutemites del sistema cuando eacuteste sufre un cambio de estadoAmbos calor y trabajo son fenoacutemenos de liacutemite Ambos se observan solamente en los liacutemites del sistema y ambos representan la energiacutea que cruza el liacutemite del sistema
Ambos calor y trabajo son funciones de trayectoria y diferenciales inexactasPor conveccioacuten +Q representa calor transferido al sistema y que por tanto es energiacutea antildeadida en eacutel y +W representa trabajo efectuado por el sistema y esto representa energiacutea que sale de eacutel
lustracioacuten para indicar diferencia entre calor y trabajo
La energiacutea cruza los liacutemites del sistema porque la temperatura de las paredes es mayor que la temperatura del gas El calor cruza los liacutemites del sistema la electricidad cruza los liacutemites del sistema El trabajo cruza los liacutemites del sistema
La transferencia de calor es el proceso de propagacioacuten del calor en distintos medios La parte de la fiacutesica que estudia estos procesos se llama a su vez Transferencia de calor o Transmisioacuten de calor La transferencia de calor se produce siempre que existe un gradiente teacutermico o cuando dos sistemas con diferentes temperaturas se ponen en contacto El proceso persiste hasta alcanzar el equilibrio teacutermico es decir hasta que se igualan las temperaturas Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos o regiones lo suficientemente proacuteximas la transferencia de calor no puede ser detenida solo puede hacerse maacutes lenta
TRANSFERENCIA DE CALOR
Una barra al rojo vivo transfiere calor al ambiente principalmente por radiacioacuten teacutermica y en menor medida por conveccioacuten
La termodinaacutemica es la ciencia que estudia la relacioacuten entre el calor y otras formas de energiacutea El calor es energiacutea en traacutensito Siempre que existe un gradiente de temperatura en un sistema o se ponen en contacto dos sistemas a diferente temperatura se transfiere energiacutea entre ellos Sabemos de esta transferencia no porque la veamos sino por los cambios que se producen en el o los sistemas La Termodinaacutemica basaacutendose en los estados de cada sistema desde un punto de vista macroscoacutepico es decir en funcioacuten de atributos tales como la presioacuten la temperatura y el volumen que se pueden medir determina si ha habido cambios en la energiacutea interna de los mismos En cumplimiento del Primer principio y descartada la interaccioacuten de trabajo con el exterior la variacioacuten de energiacutea interna solo puede ser debida a calor es decir a transferencia de energiacutea de un sistema al otro
Pero los paraacutemetros macroscoacutepicos solo se pueden medir o tiene valor su medida si es homogeacutenea en todo el sistema lo que solo ocurre si estaacuten en equilibrio La termodinaacutemica por tanto se ocupa de los estados de equilibrio y en funcioacuten de sus diferencias determina la cantidad de energiacutea transferida de un estado al otro pero sin considerar el mecanismo de flujo de calor ni la velocidad a la que se ha realizado la transferencia En un anaacutelisis termodinaacutemico se sabe la cantidad de energiacutea necesaria para pasar de un estado al otro pero no se conoce cuaacutento tiempo ha requerido la transferencia porque el tiempo no se incluye como variable en el anaacutelisis1 Esto es objetivo de otra rama de la ciencia que se conoce como Transferencia de calor
La Transferencia de calor como ciencia tiene como objetivo calcular La velocidad de transferencia de calor para una diferencia de temperatura especiacutefica y no es una misioacuten baladiacute ya que casi cualquier rama de la ingenieriacutea encuentra problemas de transferencia de calor que no podriacutean ser resueltos con uacutenicamente el razonamiento termodinaacutemico
Imagen tomada de una computacioacuten de conveccioacuten en el manto terrestre los colores rojizos representan aacutereas maacutes calientes y los maacutes azules las maacutes friacuteas
bullConduccioacuten Es la transferencia de calor que se produce a traveacutes de un medio material por contacto directo entre sus partiacuteculas cuando existe una diferencia de temperatura y en virtud del movimiento de sus micro partiacuteculas El medio puede ser soacutelido liacutequido o gaseoso aunque en liacutequidos y gases solo se da la conduccioacuten pura si se excluye la posibilidad de conveccioacuten La cantidad de calor que se transfiere por conduccioacuten viene dada por la ley de Fourier Esta ley afirma que la velocidad de conduccioacuten de calor a traveacutes de un cuerpo por unidad de seccioacuten transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo
La conduccioacuten de calor o transmisioacuten de calor por conduccioacuten es un proceso de transmisioacuten de calor basado en el contacto directo entre los cuerpos sin intercambio de materia por el que el calor fluye desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura que estaacute en contacto con el primero La propiedad fiacutesica de los materiales que determina su capacidad para conducir el calor es la conductividad teacutermica La propiedad inversa de la conductividad teacutermica es la resistividad teacutermica que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor
El segundo principio de la termodinaacutemica determina que el calor soacutelo puede fluir de un cuerpo maacutes caliente a uno maacutes friacuteo la ley de Fourier fija cuantitativamente la relacioacuten entre el flujo y las variaciones espacial y temporal de la temperatura
bullConveccioacuten La transmisioacuten de calor por conveccioacuten se compone de dos mecanismos simultaacuteneos El primero es la transferencia de calor por conduccioacuten debida al movimiento molecular a la que se superpone la transferencia de energiacutea por el movimiento de fracciones del fluido que se mueven accionadas por una fuerza externa que puede ser un gradiente de densidad (conveccioacuten natural) o una diferencia de presioacuten producida mecaacutenicamente (conveccioacuten forzada) o una combinacioacuten de ambas La cantidad de calor transferido por conveccioacuten se rige por la ley de enfriamiento de Newton
bullRadiacioacuten se puede atribuir a cambios en las configuraciones electroacutenicas de los aacutetomos o moleacuteculas constitutivas En ausencia de un medio existe una transferencia neta de calor por radiacioacuten entre dos superficies a diferentes temperaturas debido a que todas las superficies con temperatura finita emiten energiacutea en forma de ondas electromagneacuteticas El calor emitido por una superficie en la unidad de tiempo viene dado por la ley de Stefan-Boltzmann
Se denomina radiacioacuten teacutermica o radiacioacuten caloriacutefica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura Todos los cuerpos emiten radiacioacuten electromagneacutetica siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada En lo que respecta a la transferencia de calor la radiacioacuten relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 01microm a 1000microm abarcando por tanto la regioacuten infrarroja del espectro electromagneacuteticoLa materia en un estado condensado (soacutelido o liacutequido) emite un espectro de radiacioacuten continuo La frecuencia de onda emitida por radiacioacuten teacutermica es una funcioacuten de densidad de probabilidad que depende solo de la temperatura
bullLa radiacioacuten infrarroja de un radiador domeacutestico comuacuten o de un calefactor eleacutectrico es un ejemplo de radiacioacuten teacutermicabullLa luz emitida por una laacutempara incandescente La radiacioacuten teacutermica se produce cuando el calor del movimiento de partiacuteculas cargadas dentro de los aacutetomos se convierte en radiacioacuten electromagneacutetica
bullLa aplicacioacuten de la ley de Planck al Sol con una temperatura superficial de unos 6000 K nos lleva a que el 99 de la radiacioacuten emitida estaacute entre las
longitudes de onda 015 (microacutemetros o micras) y 4 micras y su maacuteximo dado por la ley de Wien ocurre a 0475 micras Como 1 Aring = 10-10 m = 10-
4micras resulta que el Sol emite en un rango de 1500 Aring hasta 40000 Aring y el maacuteximo ocurre a 4750 Aring La luz visible se extiende desde 4000 Aring a 7400 Aring La radiacioacuten ultravioleta u ondas cortas iriacutean desde los 1500 Aring a los 4000 Aring y la radiacioacuten infrarroja o radiacioacuten teacutermica u ondas largas desde las 074 micras a 4 micras
Tipos de radiaciones
bullradiacioacuten de radiobullradiacioacuten de microondasbullradiacioacuten infrarrojabullradiacioacuten visiblebullradiacioacuten ultravioletabullradiacioacuten Xbullradiacioacuten gamma (es la que emite maacutes energiacutea y la maacutes peligrosa)
Comemos alimentos
Para mantener nuestras funciones bioloacutegicas
Quemamos combustibles
Para producir energiacutea eleacutectricaPara calentar nuestras casasPara generar potencia en aviones trenes automoacuteviles
Usamos cubitos de hielo
Para enfriar bebidas
Usamos calor Para convertir masa cruda en pan horneado
Todos estos ejemplos nos indican que las reacciones quiacutemicas tienen algo en comuacuten
Las reacciones quiacutemicas implican cambios de energiacuteaLa combustioacuten de la gasolina libera energiacutea
La separacioacuten del agua en hidroacutegeno y oxiacutegeno requiere energiacutea
El estudio de la energiacutea y sus transformaciones se
conoce como TERMO DINAacuteMICAThermeldquocalorrdquo
DynamisldquoPotenciardquo
La invencioacuten del termoacutemetro se atribuye a Galileo aunque el termoacutemetro sellado no aparecioacute hasta 1650
Los oriacutegenes de la Termodinaacutemica como ciencia podriacuteanestablecerse en la eacutepoca de la invencioacuten del termoacutemetro quese atribuye a Galileo En reacciones que se desarrollan bajo condiciones controladas la medicioacuten de las variaciones de temperatura permite deducir los intercambios de calor (calores de reaccioacuten)
Termoacutemetro de cristal basado en el principio fiacutesico de que la densidad de un liacutequido cambia seguacuten la temperatura descubierto por Galileo Galilei (1564-1642) En funcioacuten de los cambios de temperatura las bolas de cristal que se encuentran en el interior del termoacutemetro se desplazan hacia arriba o abajo generandose dos zonas una en la parte superior y otra en la parte inferiorCada bola lleva una placa grabada con la temperatura de correspondencia con la densidad del liacutequidoLa temperatura ambiente es mostrada por la bola mas baja del conjunto de bolas que se encuentra en la zona superior del termoacutemetroRango de 18 a 24ordmC (de 2 en 2 grados)
Los termoacutemetros modernos de alcohol y mercurio fueron inventados por el fiacutesico alemaacuten Gabriel Fahrenheit quien tambieacuten propuso la primera escala de temperaturas ampliamente adoptada que lleva su nombre Punto de fusioacuten del hielo 32ordmF
Punto de ebullicioacuten del agua 212ordmF
212-32=180(La magnitud del grado Fahrenheit es menor que la del grado centiacutegrado)
La escala centiacutegrada o Celsius fue disentildeada por el astroacutenomo sueco
Es utilizada en la mayoriacutea de los paiacutesesEl punto de congelacioacuten es 0 grados (0 ordmC) y el punto de ebullicioacuten es de 100 ordmC
Anders Celsius
Por uacuteltimo la escala de temperaturas absolutas o escala Kelvin tiene su cero a una temperatura de ndash27315ordmC 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 expresioacutenTK = TC + 27315
Este aacuterea de estudio se desarrolloacute mucho con la revolucioacuten industrial
Interesaba conocer las relaciones entre calor trabajo y el contenido energeacutetico de los combustibles
Maximizar el rendimiento de las maacutequinas de vapor
Cientiacuteficos quedestacaron por la realizacioacuten de investigaciones y descubrimientos muy relevantesen relacioacuten a la Termodinaacutemica fueron entre otros Boltzmann Carnot ClapeyronClausius Gibbs Helmholtz Hess Joule Kelvin Maxwellhellip
Sistema y medio ambiente Convenio de signos de
los intercambios energeacuteticos Condiciones estaacutendar
Pueden ocurrir intercambios demateria yo energiacutea entre sistema y medio ambiente pero eacutestos deben ser controlados
ldquoexperimentordquo
sistema
medio ambiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema
son positivos
Tanto el calor perdido
por el sistema como el
trabajo efectuado por
el sistema sobre su
entorno son negativos
El convenio de signos para los intercambios de energiacutea en forma de calor y trabajo entre sistema y medio ambiente es el siguiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema son positivos aumentan su energiacutea
Tanto el calor perdido por el sistema como el trabajo efectuado por el sistema sobre su entorno son negativos reducen la energiacutea del sistema
qgt0wgt0
qlt0wlt0
qgt0wgt0
qlt0wlt0
E
EL QUIacuteMICO ES EL SISTEMA y lo ve desde dentro
El FIacuteSICO lo ve desde fuera
El quiacutemico ve el sistema desde dentro como si EL fuese el sistema
Por ejemplo un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre ambas partes del universo
La Termodinaacutemica se relaciona con los estados de equilibrioUn estado de equilibrio es aqueacutel en el que las propiedades macroscoacutepicas del sistema temperatura densidad composicioacuten quiacutemica etc estaacuten bien definidas y no variacutean
La Termodinaacutemica permite discernir si es posible pasar de un estado de equilibrio a otro pero no la velocidad de dicha transformacioacuten
Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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 funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
FORMATObull ARIAL 12bull INTERLINIADO 15 williamrubergmailcom
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DEFINICIOacuteN DE TRABAJO Y CALOR
Son intercambios energeacuteticos que tienen lugar como consecuencia de las interacciones que pueden experimentar los sistemas termodinaacutemicos Tanto el calor como el trabajo son manifestaciones externas de la energiacutea y uacutenicamente se evidencian en las fronteras de los sistemas y solamente apareceraacuten cuando estos experimenten cambios en sus estados termodinaacutemicos
En las interacciones que experimentan los sistemas estos pueden recibir o ceder energiacutea La energiacutea se considera como una magnitud algebraica establecieacutendose el siguiente criterio trabajo que proporciona el sistema positivo y el que recibe negativo Asiacute mismo el calor suministrado al sistema se considera positivo y el cedido por eacutel negativo
Criterio de signos para el intercambio energeacutetico
TRABAJO
Definicioacuten mecaacutenica de trabajo
Es el producto de una fuerza por la distancia recorrida en la direccioacuten de la fuerza
Definicioacuten termodinaacutemica de trabajo
Un sistema realiza trabajo durante un proceso si el uacutenico efecto en el medio exterior pudiese ser el levantamiento de un peso Ejm un sistema formado por una bateriacutea y un motor En los liacutemites del sistema se observa el trabajo entregado por el motor a la rueda de paletas Si se sustituye la rueda de paletas por un conjunto de peso-polea el uacutenico efecto externo a la frontera del sistema seraacute el levantamiento de un peso
Ilustracioacuten del trabajo de la rueda de paletas
TRABAJO DE UN SISTEMA
Consideremos un arreglo cilindro-pistoacuten que encierra una cierta masa de gas que ejerce presioacuten sobre la cara del pistoacuten de superficie A Si el pistoacuten se desplaza hacia la izquierda debido a la aplicacioacuten de una fuerza F externa se diraacute que los alrededores ejercen trabajo sobre el gas y su valor infinitesimal seraacute
Dicieacutendose en este caso que el gas ha sido comprimido
Trabajo mecaacutenico que se asocia con el movimiento de la frontera de un dispositivo cilindro-pistoacuten
El trabajo se puede expresar como
En termodinaacutemica se dice que un sistema se encuentra en estado de equilibrio termodinaacutemico si es incapaz de experimentar espontaacuteneamente alguacuten cambio de estado o proceso termodinaacutemico cuando estaacute sometido a unas determinadas condiciones de contorno (las condiciones que le imponen sus alrededores) Para ello ha de encontrarse simultaacuteneamente en equilibrio teacutermico equilibrio mecaacutenico y equilibrio quiacutemico
TRABAJO CASI EN EQUILIBRIO
CALOR
Es la forma de energiacutea que se transmite a traveacutes del liacutemite de un sistema que estaacute a una temperatura a otro sistema (o al medio exterior) a una temperatura mas baja debido a la diferencia de temperatura entre los dos sistemas El calor es una funcioacuten de trayectoria y su diferencial es inexacta luego
COMPARACION ENTRE CALOR Y TRABAJO
Calor y trabajo son ambos fenoacutemenos transitorios Los sistemas nunca tienen calor o trabajo pero cualquiera o ambos cruzan los liacutemites del sistema cuando eacuteste sufre un cambio de estadoAmbos calor y trabajo son fenoacutemenos de liacutemite Ambos se observan solamente en los liacutemites del sistema y ambos representan la energiacutea que cruza el liacutemite del sistema
Ambos calor y trabajo son funciones de trayectoria y diferenciales inexactasPor conveccioacuten +Q representa calor transferido al sistema y que por tanto es energiacutea antildeadida en eacutel y +W representa trabajo efectuado por el sistema y esto representa energiacutea que sale de eacutel
lustracioacuten para indicar diferencia entre calor y trabajo
La energiacutea cruza los liacutemites del sistema porque la temperatura de las paredes es mayor que la temperatura del gas El calor cruza los liacutemites del sistema la electricidad cruza los liacutemites del sistema El trabajo cruza los liacutemites del sistema
La transferencia de calor es el proceso de propagacioacuten del calor en distintos medios La parte de la fiacutesica que estudia estos procesos se llama a su vez Transferencia de calor o Transmisioacuten de calor La transferencia de calor se produce siempre que existe un gradiente teacutermico o cuando dos sistemas con diferentes temperaturas se ponen en contacto El proceso persiste hasta alcanzar el equilibrio teacutermico es decir hasta que se igualan las temperaturas Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos o regiones lo suficientemente proacuteximas la transferencia de calor no puede ser detenida solo puede hacerse maacutes lenta
TRANSFERENCIA DE CALOR
Una barra al rojo vivo transfiere calor al ambiente principalmente por radiacioacuten teacutermica y en menor medida por conveccioacuten
La termodinaacutemica es la ciencia que estudia la relacioacuten entre el calor y otras formas de energiacutea El calor es energiacutea en traacutensito Siempre que existe un gradiente de temperatura en un sistema o se ponen en contacto dos sistemas a diferente temperatura se transfiere energiacutea entre ellos Sabemos de esta transferencia no porque la veamos sino por los cambios que se producen en el o los sistemas La Termodinaacutemica basaacutendose en los estados de cada sistema desde un punto de vista macroscoacutepico es decir en funcioacuten de atributos tales como la presioacuten la temperatura y el volumen que se pueden medir determina si ha habido cambios en la energiacutea interna de los mismos En cumplimiento del Primer principio y descartada la interaccioacuten de trabajo con el exterior la variacioacuten de energiacutea interna solo puede ser debida a calor es decir a transferencia de energiacutea de un sistema al otro
Pero los paraacutemetros macroscoacutepicos solo se pueden medir o tiene valor su medida si es homogeacutenea en todo el sistema lo que solo ocurre si estaacuten en equilibrio La termodinaacutemica por tanto se ocupa de los estados de equilibrio y en funcioacuten de sus diferencias determina la cantidad de energiacutea transferida de un estado al otro pero sin considerar el mecanismo de flujo de calor ni la velocidad a la que se ha realizado la transferencia En un anaacutelisis termodinaacutemico se sabe la cantidad de energiacutea necesaria para pasar de un estado al otro pero no se conoce cuaacutento tiempo ha requerido la transferencia porque el tiempo no se incluye como variable en el anaacutelisis1 Esto es objetivo de otra rama de la ciencia que se conoce como Transferencia de calor
La Transferencia de calor como ciencia tiene como objetivo calcular La velocidad de transferencia de calor para una diferencia de temperatura especiacutefica y no es una misioacuten baladiacute ya que casi cualquier rama de la ingenieriacutea encuentra problemas de transferencia de calor que no podriacutean ser resueltos con uacutenicamente el razonamiento termodinaacutemico
Imagen tomada de una computacioacuten de conveccioacuten en el manto terrestre los colores rojizos representan aacutereas maacutes calientes y los maacutes azules las maacutes friacuteas
bullConduccioacuten Es la transferencia de calor que se produce a traveacutes de un medio material por contacto directo entre sus partiacuteculas cuando existe una diferencia de temperatura y en virtud del movimiento de sus micro partiacuteculas El medio puede ser soacutelido liacutequido o gaseoso aunque en liacutequidos y gases solo se da la conduccioacuten pura si se excluye la posibilidad de conveccioacuten La cantidad de calor que se transfiere por conduccioacuten viene dada por la ley de Fourier Esta ley afirma que la velocidad de conduccioacuten de calor a traveacutes de un cuerpo por unidad de seccioacuten transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo
La conduccioacuten de calor o transmisioacuten de calor por conduccioacuten es un proceso de transmisioacuten de calor basado en el contacto directo entre los cuerpos sin intercambio de materia por el que el calor fluye desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura que estaacute en contacto con el primero La propiedad fiacutesica de los materiales que determina su capacidad para conducir el calor es la conductividad teacutermica La propiedad inversa de la conductividad teacutermica es la resistividad teacutermica que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor
El segundo principio de la termodinaacutemica determina que el calor soacutelo puede fluir de un cuerpo maacutes caliente a uno maacutes friacuteo la ley de Fourier fija cuantitativamente la relacioacuten entre el flujo y las variaciones espacial y temporal de la temperatura
bullConveccioacuten La transmisioacuten de calor por conveccioacuten se compone de dos mecanismos simultaacuteneos El primero es la transferencia de calor por conduccioacuten debida al movimiento molecular a la que se superpone la transferencia de energiacutea por el movimiento de fracciones del fluido que se mueven accionadas por una fuerza externa que puede ser un gradiente de densidad (conveccioacuten natural) o una diferencia de presioacuten producida mecaacutenicamente (conveccioacuten forzada) o una combinacioacuten de ambas La cantidad de calor transferido por conveccioacuten se rige por la ley de enfriamiento de Newton
bullRadiacioacuten se puede atribuir a cambios en las configuraciones electroacutenicas de los aacutetomos o moleacuteculas constitutivas En ausencia de un medio existe una transferencia neta de calor por radiacioacuten entre dos superficies a diferentes temperaturas debido a que todas las superficies con temperatura finita emiten energiacutea en forma de ondas electromagneacuteticas El calor emitido por una superficie en la unidad de tiempo viene dado por la ley de Stefan-Boltzmann
Se denomina radiacioacuten teacutermica o radiacioacuten caloriacutefica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura Todos los cuerpos emiten radiacioacuten electromagneacutetica siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada En lo que respecta a la transferencia de calor la radiacioacuten relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 01microm a 1000microm abarcando por tanto la regioacuten infrarroja del espectro electromagneacuteticoLa materia en un estado condensado (soacutelido o liacutequido) emite un espectro de radiacioacuten continuo La frecuencia de onda emitida por radiacioacuten teacutermica es una funcioacuten de densidad de probabilidad que depende solo de la temperatura
bullLa radiacioacuten infrarroja de un radiador domeacutestico comuacuten o de un calefactor eleacutectrico es un ejemplo de radiacioacuten teacutermicabullLa luz emitida por una laacutempara incandescente La radiacioacuten teacutermica se produce cuando el calor del movimiento de partiacuteculas cargadas dentro de los aacutetomos se convierte en radiacioacuten electromagneacutetica
bullLa aplicacioacuten de la ley de Planck al Sol con una temperatura superficial de unos 6000 K nos lleva a que el 99 de la radiacioacuten emitida estaacute entre las
longitudes de onda 015 (microacutemetros o micras) y 4 micras y su maacuteximo dado por la ley de Wien ocurre a 0475 micras Como 1 Aring = 10-10 m = 10-
4micras resulta que el Sol emite en un rango de 1500 Aring hasta 40000 Aring y el maacuteximo ocurre a 4750 Aring La luz visible se extiende desde 4000 Aring a 7400 Aring La radiacioacuten ultravioleta u ondas cortas iriacutean desde los 1500 Aring a los 4000 Aring y la radiacioacuten infrarroja o radiacioacuten teacutermica u ondas largas desde las 074 micras a 4 micras
Tipos de radiaciones
bullradiacioacuten de radiobullradiacioacuten de microondasbullradiacioacuten infrarrojabullradiacioacuten visiblebullradiacioacuten ultravioletabullradiacioacuten Xbullradiacioacuten gamma (es la que emite maacutes energiacutea y la maacutes peligrosa)
Comemos alimentos
Para mantener nuestras funciones bioloacutegicas
Quemamos combustibles
Para producir energiacutea eleacutectricaPara calentar nuestras casasPara generar potencia en aviones trenes automoacuteviles
Usamos cubitos de hielo
Para enfriar bebidas
Usamos calor Para convertir masa cruda en pan horneado
Todos estos ejemplos nos indican que las reacciones quiacutemicas tienen algo en comuacuten
Las reacciones quiacutemicas implican cambios de energiacuteaLa combustioacuten de la gasolina libera energiacutea
La separacioacuten del agua en hidroacutegeno y oxiacutegeno requiere energiacutea
El estudio de la energiacutea y sus transformaciones se
conoce como TERMO DINAacuteMICAThermeldquocalorrdquo
DynamisldquoPotenciardquo
La invencioacuten del termoacutemetro se atribuye a Galileo aunque el termoacutemetro sellado no aparecioacute hasta 1650
Los oriacutegenes de la Termodinaacutemica como ciencia podriacuteanestablecerse en la eacutepoca de la invencioacuten del termoacutemetro quese atribuye a Galileo En reacciones que se desarrollan bajo condiciones controladas la medicioacuten de las variaciones de temperatura permite deducir los intercambios de calor (calores de reaccioacuten)
Termoacutemetro de cristal basado en el principio fiacutesico de que la densidad de un liacutequido cambia seguacuten la temperatura descubierto por Galileo Galilei (1564-1642) En funcioacuten de los cambios de temperatura las bolas de cristal que se encuentran en el interior del termoacutemetro se desplazan hacia arriba o abajo generandose dos zonas una en la parte superior y otra en la parte inferiorCada bola lleva una placa grabada con la temperatura de correspondencia con la densidad del liacutequidoLa temperatura ambiente es mostrada por la bola mas baja del conjunto de bolas que se encuentra en la zona superior del termoacutemetroRango de 18 a 24ordmC (de 2 en 2 grados)
Los termoacutemetros modernos de alcohol y mercurio fueron inventados por el fiacutesico alemaacuten Gabriel Fahrenheit quien tambieacuten propuso la primera escala de temperaturas ampliamente adoptada que lleva su nombre Punto de fusioacuten del hielo 32ordmF
Punto de ebullicioacuten del agua 212ordmF
212-32=180(La magnitud del grado Fahrenheit es menor que la del grado centiacutegrado)
La escala centiacutegrada o Celsius fue disentildeada por el astroacutenomo sueco
Es utilizada en la mayoriacutea de los paiacutesesEl punto de congelacioacuten es 0 grados (0 ordmC) y el punto de ebullicioacuten es de 100 ordmC
Anders Celsius
Por uacuteltimo la escala de temperaturas absolutas o escala Kelvin tiene su cero a una temperatura de ndash27315ordmC 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 expresioacutenTK = TC + 27315
Este aacuterea de estudio se desarrolloacute mucho con la revolucioacuten industrial
Interesaba conocer las relaciones entre calor trabajo y el contenido energeacutetico de los combustibles
Maximizar el rendimiento de las maacutequinas de vapor
Cientiacuteficos quedestacaron por la realizacioacuten de investigaciones y descubrimientos muy relevantesen relacioacuten a la Termodinaacutemica fueron entre otros Boltzmann Carnot ClapeyronClausius Gibbs Helmholtz Hess Joule Kelvin Maxwellhellip
Sistema y medio ambiente Convenio de signos de
los intercambios energeacuteticos Condiciones estaacutendar
Pueden ocurrir intercambios demateria yo energiacutea entre sistema y medio ambiente pero eacutestos deben ser controlados
ldquoexperimentordquo
sistema
medio ambiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema
son positivos
Tanto el calor perdido
por el sistema como el
trabajo efectuado por
el sistema sobre su
entorno son negativos
El convenio de signos para los intercambios de energiacutea en forma de calor y trabajo entre sistema y medio ambiente es el siguiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema son positivos aumentan su energiacutea
Tanto el calor perdido por el sistema como el trabajo efectuado por el sistema sobre su entorno son negativos reducen la energiacutea del sistema
qgt0wgt0
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qgt0wgt0
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E
EL QUIacuteMICO ES EL SISTEMA y lo ve desde dentro
El FIacuteSICO lo ve desde fuera
El quiacutemico ve el sistema desde dentro como si EL fuese el sistema
Por ejemplo un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre ambas partes del universo
La Termodinaacutemica se relaciona con los estados de equilibrioUn estado de equilibrio es aqueacutel en el que las propiedades macroscoacutepicas del sistema temperatura densidad composicioacuten quiacutemica etc estaacuten bien definidas y no variacutean
La Termodinaacutemica permite discernir si es posible pasar de un estado de equilibrio a otro pero no la velocidad de dicha transformacioacuten
Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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
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Una funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
FORMATObull ARIAL 12bull INTERLINIADO 15 williamrubergmailcom
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En las interacciones que experimentan los sistemas estos pueden recibir o ceder energiacutea La energiacutea se considera como una magnitud algebraica establecieacutendose el siguiente criterio trabajo que proporciona el sistema positivo y el que recibe negativo Asiacute mismo el calor suministrado al sistema se considera positivo y el cedido por eacutel negativo
Criterio de signos para el intercambio energeacutetico
TRABAJO
Definicioacuten mecaacutenica de trabajo
Es el producto de una fuerza por la distancia recorrida en la direccioacuten de la fuerza
Definicioacuten termodinaacutemica de trabajo
Un sistema realiza trabajo durante un proceso si el uacutenico efecto en el medio exterior pudiese ser el levantamiento de un peso Ejm un sistema formado por una bateriacutea y un motor En los liacutemites del sistema se observa el trabajo entregado por el motor a la rueda de paletas Si se sustituye la rueda de paletas por un conjunto de peso-polea el uacutenico efecto externo a la frontera del sistema seraacute el levantamiento de un peso
Ilustracioacuten del trabajo de la rueda de paletas
TRABAJO DE UN SISTEMA
Consideremos un arreglo cilindro-pistoacuten que encierra una cierta masa de gas que ejerce presioacuten sobre la cara del pistoacuten de superficie A Si el pistoacuten se desplaza hacia la izquierda debido a la aplicacioacuten de una fuerza F externa se diraacute que los alrededores ejercen trabajo sobre el gas y su valor infinitesimal seraacute
Dicieacutendose en este caso que el gas ha sido comprimido
Trabajo mecaacutenico que se asocia con el movimiento de la frontera de un dispositivo cilindro-pistoacuten
El trabajo se puede expresar como
En termodinaacutemica se dice que un sistema se encuentra en estado de equilibrio termodinaacutemico si es incapaz de experimentar espontaacuteneamente alguacuten cambio de estado o proceso termodinaacutemico cuando estaacute sometido a unas determinadas condiciones de contorno (las condiciones que le imponen sus alrededores) Para ello ha de encontrarse simultaacuteneamente en equilibrio teacutermico equilibrio mecaacutenico y equilibrio quiacutemico
TRABAJO CASI EN EQUILIBRIO
CALOR
Es la forma de energiacutea que se transmite a traveacutes del liacutemite de un sistema que estaacute a una temperatura a otro sistema (o al medio exterior) a una temperatura mas baja debido a la diferencia de temperatura entre los dos sistemas El calor es una funcioacuten de trayectoria y su diferencial es inexacta luego
COMPARACION ENTRE CALOR Y TRABAJO
Calor y trabajo son ambos fenoacutemenos transitorios Los sistemas nunca tienen calor o trabajo pero cualquiera o ambos cruzan los liacutemites del sistema cuando eacuteste sufre un cambio de estadoAmbos calor y trabajo son fenoacutemenos de liacutemite Ambos se observan solamente en los liacutemites del sistema y ambos representan la energiacutea que cruza el liacutemite del sistema
Ambos calor y trabajo son funciones de trayectoria y diferenciales inexactasPor conveccioacuten +Q representa calor transferido al sistema y que por tanto es energiacutea antildeadida en eacutel y +W representa trabajo efectuado por el sistema y esto representa energiacutea que sale de eacutel
lustracioacuten para indicar diferencia entre calor y trabajo
La energiacutea cruza los liacutemites del sistema porque la temperatura de las paredes es mayor que la temperatura del gas El calor cruza los liacutemites del sistema la electricidad cruza los liacutemites del sistema El trabajo cruza los liacutemites del sistema
La transferencia de calor es el proceso de propagacioacuten del calor en distintos medios La parte de la fiacutesica que estudia estos procesos se llama a su vez Transferencia de calor o Transmisioacuten de calor La transferencia de calor se produce siempre que existe un gradiente teacutermico o cuando dos sistemas con diferentes temperaturas se ponen en contacto El proceso persiste hasta alcanzar el equilibrio teacutermico es decir hasta que se igualan las temperaturas Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos o regiones lo suficientemente proacuteximas la transferencia de calor no puede ser detenida solo puede hacerse maacutes lenta
TRANSFERENCIA DE CALOR
Una barra al rojo vivo transfiere calor al ambiente principalmente por radiacioacuten teacutermica y en menor medida por conveccioacuten
La termodinaacutemica es la ciencia que estudia la relacioacuten entre el calor y otras formas de energiacutea El calor es energiacutea en traacutensito Siempre que existe un gradiente de temperatura en un sistema o se ponen en contacto dos sistemas a diferente temperatura se transfiere energiacutea entre ellos Sabemos de esta transferencia no porque la veamos sino por los cambios que se producen en el o los sistemas La Termodinaacutemica basaacutendose en los estados de cada sistema desde un punto de vista macroscoacutepico es decir en funcioacuten de atributos tales como la presioacuten la temperatura y el volumen que se pueden medir determina si ha habido cambios en la energiacutea interna de los mismos En cumplimiento del Primer principio y descartada la interaccioacuten de trabajo con el exterior la variacioacuten de energiacutea interna solo puede ser debida a calor es decir a transferencia de energiacutea de un sistema al otro
Pero los paraacutemetros macroscoacutepicos solo se pueden medir o tiene valor su medida si es homogeacutenea en todo el sistema lo que solo ocurre si estaacuten en equilibrio La termodinaacutemica por tanto se ocupa de los estados de equilibrio y en funcioacuten de sus diferencias determina la cantidad de energiacutea transferida de un estado al otro pero sin considerar el mecanismo de flujo de calor ni la velocidad a la que se ha realizado la transferencia En un anaacutelisis termodinaacutemico se sabe la cantidad de energiacutea necesaria para pasar de un estado al otro pero no se conoce cuaacutento tiempo ha requerido la transferencia porque el tiempo no se incluye como variable en el anaacutelisis1 Esto es objetivo de otra rama de la ciencia que se conoce como Transferencia de calor
La Transferencia de calor como ciencia tiene como objetivo calcular La velocidad de transferencia de calor para una diferencia de temperatura especiacutefica y no es una misioacuten baladiacute ya que casi cualquier rama de la ingenieriacutea encuentra problemas de transferencia de calor que no podriacutean ser resueltos con uacutenicamente el razonamiento termodinaacutemico
Imagen tomada de una computacioacuten de conveccioacuten en el manto terrestre los colores rojizos representan aacutereas maacutes calientes y los maacutes azules las maacutes friacuteas
bullConduccioacuten Es la transferencia de calor que se produce a traveacutes de un medio material por contacto directo entre sus partiacuteculas cuando existe una diferencia de temperatura y en virtud del movimiento de sus micro partiacuteculas El medio puede ser soacutelido liacutequido o gaseoso aunque en liacutequidos y gases solo se da la conduccioacuten pura si se excluye la posibilidad de conveccioacuten La cantidad de calor que se transfiere por conduccioacuten viene dada por la ley de Fourier Esta ley afirma que la velocidad de conduccioacuten de calor a traveacutes de un cuerpo por unidad de seccioacuten transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo
La conduccioacuten de calor o transmisioacuten de calor por conduccioacuten es un proceso de transmisioacuten de calor basado en el contacto directo entre los cuerpos sin intercambio de materia por el que el calor fluye desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura que estaacute en contacto con el primero La propiedad fiacutesica de los materiales que determina su capacidad para conducir el calor es la conductividad teacutermica La propiedad inversa de la conductividad teacutermica es la resistividad teacutermica que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor
El segundo principio de la termodinaacutemica determina que el calor soacutelo puede fluir de un cuerpo maacutes caliente a uno maacutes friacuteo la ley de Fourier fija cuantitativamente la relacioacuten entre el flujo y las variaciones espacial y temporal de la temperatura
bullConveccioacuten La transmisioacuten de calor por conveccioacuten se compone de dos mecanismos simultaacuteneos El primero es la transferencia de calor por conduccioacuten debida al movimiento molecular a la que se superpone la transferencia de energiacutea por el movimiento de fracciones del fluido que se mueven accionadas por una fuerza externa que puede ser un gradiente de densidad (conveccioacuten natural) o una diferencia de presioacuten producida mecaacutenicamente (conveccioacuten forzada) o una combinacioacuten de ambas La cantidad de calor transferido por conveccioacuten se rige por la ley de enfriamiento de Newton
bullRadiacioacuten se puede atribuir a cambios en las configuraciones electroacutenicas de los aacutetomos o moleacuteculas constitutivas En ausencia de un medio existe una transferencia neta de calor por radiacioacuten entre dos superficies a diferentes temperaturas debido a que todas las superficies con temperatura finita emiten energiacutea en forma de ondas electromagneacuteticas El calor emitido por una superficie en la unidad de tiempo viene dado por la ley de Stefan-Boltzmann
Se denomina radiacioacuten teacutermica o radiacioacuten caloriacutefica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura Todos los cuerpos emiten radiacioacuten electromagneacutetica siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada En lo que respecta a la transferencia de calor la radiacioacuten relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 01microm a 1000microm abarcando por tanto la regioacuten infrarroja del espectro electromagneacuteticoLa materia en un estado condensado (soacutelido o liacutequido) emite un espectro de radiacioacuten continuo La frecuencia de onda emitida por radiacioacuten teacutermica es una funcioacuten de densidad de probabilidad que depende solo de la temperatura
bullLa radiacioacuten infrarroja de un radiador domeacutestico comuacuten o de un calefactor eleacutectrico es un ejemplo de radiacioacuten teacutermicabullLa luz emitida por una laacutempara incandescente La radiacioacuten teacutermica se produce cuando el calor del movimiento de partiacuteculas cargadas dentro de los aacutetomos se convierte en radiacioacuten electromagneacutetica
bullLa aplicacioacuten de la ley de Planck al Sol con una temperatura superficial de unos 6000 K nos lleva a que el 99 de la radiacioacuten emitida estaacute entre las
longitudes de onda 015 (microacutemetros o micras) y 4 micras y su maacuteximo dado por la ley de Wien ocurre a 0475 micras Como 1 Aring = 10-10 m = 10-
4micras resulta que el Sol emite en un rango de 1500 Aring hasta 40000 Aring y el maacuteximo ocurre a 4750 Aring La luz visible se extiende desde 4000 Aring a 7400 Aring La radiacioacuten ultravioleta u ondas cortas iriacutean desde los 1500 Aring a los 4000 Aring y la radiacioacuten infrarroja o radiacioacuten teacutermica u ondas largas desde las 074 micras a 4 micras
Tipos de radiaciones
bullradiacioacuten de radiobullradiacioacuten de microondasbullradiacioacuten infrarrojabullradiacioacuten visiblebullradiacioacuten ultravioletabullradiacioacuten Xbullradiacioacuten gamma (es la que emite maacutes energiacutea y la maacutes peligrosa)
Comemos alimentos
Para mantener nuestras funciones bioloacutegicas
Quemamos combustibles
Para producir energiacutea eleacutectricaPara calentar nuestras casasPara generar potencia en aviones trenes automoacuteviles
Usamos cubitos de hielo
Para enfriar bebidas
Usamos calor Para convertir masa cruda en pan horneado
Todos estos ejemplos nos indican que las reacciones quiacutemicas tienen algo en comuacuten
Las reacciones quiacutemicas implican cambios de energiacuteaLa combustioacuten de la gasolina libera energiacutea
La separacioacuten del agua en hidroacutegeno y oxiacutegeno requiere energiacutea
El estudio de la energiacutea y sus transformaciones se
conoce como TERMO DINAacuteMICAThermeldquocalorrdquo
DynamisldquoPotenciardquo
La invencioacuten del termoacutemetro se atribuye a Galileo aunque el termoacutemetro sellado no aparecioacute hasta 1650
Los oriacutegenes de la Termodinaacutemica como ciencia podriacuteanestablecerse en la eacutepoca de la invencioacuten del termoacutemetro quese atribuye a Galileo En reacciones que se desarrollan bajo condiciones controladas la medicioacuten de las variaciones de temperatura permite deducir los intercambios de calor (calores de reaccioacuten)
Termoacutemetro de cristal basado en el principio fiacutesico de que la densidad de un liacutequido cambia seguacuten la temperatura descubierto por Galileo Galilei (1564-1642) En funcioacuten de los cambios de temperatura las bolas de cristal que se encuentran en el interior del termoacutemetro se desplazan hacia arriba o abajo generandose dos zonas una en la parte superior y otra en la parte inferiorCada bola lleva una placa grabada con la temperatura de correspondencia con la densidad del liacutequidoLa temperatura ambiente es mostrada por la bola mas baja del conjunto de bolas que se encuentra en la zona superior del termoacutemetroRango de 18 a 24ordmC (de 2 en 2 grados)
Los termoacutemetros modernos de alcohol y mercurio fueron inventados por el fiacutesico alemaacuten Gabriel Fahrenheit quien tambieacuten propuso la primera escala de temperaturas ampliamente adoptada que lleva su nombre Punto de fusioacuten del hielo 32ordmF
Punto de ebullicioacuten del agua 212ordmF
212-32=180(La magnitud del grado Fahrenheit es menor que la del grado centiacutegrado)
La escala centiacutegrada o Celsius fue disentildeada por el astroacutenomo sueco
Es utilizada en la mayoriacutea de los paiacutesesEl punto de congelacioacuten es 0 grados (0 ordmC) y el punto de ebullicioacuten es de 100 ordmC
Anders Celsius
Por uacuteltimo la escala de temperaturas absolutas o escala Kelvin tiene su cero a una temperatura de ndash27315ordmC 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 expresioacutenTK = TC + 27315
Este aacuterea de estudio se desarrolloacute mucho con la revolucioacuten industrial
Interesaba conocer las relaciones entre calor trabajo y el contenido energeacutetico de los combustibles
Maximizar el rendimiento de las maacutequinas de vapor
Cientiacuteficos quedestacaron por la realizacioacuten de investigaciones y descubrimientos muy relevantesen relacioacuten a la Termodinaacutemica fueron entre otros Boltzmann Carnot ClapeyronClausius Gibbs Helmholtz Hess Joule Kelvin Maxwellhellip
Sistema y medio ambiente Convenio de signos de
los intercambios energeacuteticos Condiciones estaacutendar
Pueden ocurrir intercambios demateria yo energiacutea entre sistema y medio ambiente pero eacutestos deben ser controlados
ldquoexperimentordquo
sistema
medio ambiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema
son positivos
Tanto el calor perdido
por el sistema como el
trabajo efectuado por
el sistema sobre su
entorno son negativos
El convenio de signos para los intercambios de energiacutea en forma de calor y trabajo entre sistema y medio ambiente es el siguiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema son positivos aumentan su energiacutea
Tanto el calor perdido por el sistema como el trabajo efectuado por el sistema sobre su entorno son negativos reducen la energiacutea del sistema
qgt0wgt0
qlt0wlt0
qgt0wgt0
qlt0wlt0
E
EL QUIacuteMICO ES EL SISTEMA y lo ve desde dentro
El FIacuteSICO lo ve desde fuera
El quiacutemico ve el sistema desde dentro como si EL fuese el sistema
Por ejemplo un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre ambas partes del universo
La Termodinaacutemica se relaciona con los estados de equilibrioUn estado de equilibrio es aqueacutel en el que las propiedades macroscoacutepicas del sistema temperatura densidad composicioacuten quiacutemica etc estaacuten bien definidas y no variacutean
La Termodinaacutemica permite discernir si es posible pasar de un estado de equilibrio a otro pero no la velocidad de dicha transformacioacuten
Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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
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Una funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
FORMATObull ARIAL 12bull INTERLINIADO 15 williamrubergmailcom
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TRABAJO
Definicioacuten mecaacutenica de trabajo
Es el producto de una fuerza por la distancia recorrida en la direccioacuten de la fuerza
Definicioacuten termodinaacutemica de trabajo
Un sistema realiza trabajo durante un proceso si el uacutenico efecto en el medio exterior pudiese ser el levantamiento de un peso Ejm un sistema formado por una bateriacutea y un motor En los liacutemites del sistema se observa el trabajo entregado por el motor a la rueda de paletas Si se sustituye la rueda de paletas por un conjunto de peso-polea el uacutenico efecto externo a la frontera del sistema seraacute el levantamiento de un peso
Ilustracioacuten del trabajo de la rueda de paletas
TRABAJO DE UN SISTEMA
Consideremos un arreglo cilindro-pistoacuten que encierra una cierta masa de gas que ejerce presioacuten sobre la cara del pistoacuten de superficie A Si el pistoacuten se desplaza hacia la izquierda debido a la aplicacioacuten de una fuerza F externa se diraacute que los alrededores ejercen trabajo sobre el gas y su valor infinitesimal seraacute
Dicieacutendose en este caso que el gas ha sido comprimido
Trabajo mecaacutenico que se asocia con el movimiento de la frontera de un dispositivo cilindro-pistoacuten
El trabajo se puede expresar como
En termodinaacutemica se dice que un sistema se encuentra en estado de equilibrio termodinaacutemico si es incapaz de experimentar espontaacuteneamente alguacuten cambio de estado o proceso termodinaacutemico cuando estaacute sometido a unas determinadas condiciones de contorno (las condiciones que le imponen sus alrededores) Para ello ha de encontrarse simultaacuteneamente en equilibrio teacutermico equilibrio mecaacutenico y equilibrio quiacutemico
TRABAJO CASI EN EQUILIBRIO
CALOR
Es la forma de energiacutea que se transmite a traveacutes del liacutemite de un sistema que estaacute a una temperatura a otro sistema (o al medio exterior) a una temperatura mas baja debido a la diferencia de temperatura entre los dos sistemas El calor es una funcioacuten de trayectoria y su diferencial es inexacta luego
COMPARACION ENTRE CALOR Y TRABAJO
Calor y trabajo son ambos fenoacutemenos transitorios Los sistemas nunca tienen calor o trabajo pero cualquiera o ambos cruzan los liacutemites del sistema cuando eacuteste sufre un cambio de estadoAmbos calor y trabajo son fenoacutemenos de liacutemite Ambos se observan solamente en los liacutemites del sistema y ambos representan la energiacutea que cruza el liacutemite del sistema
Ambos calor y trabajo son funciones de trayectoria y diferenciales inexactasPor conveccioacuten +Q representa calor transferido al sistema y que por tanto es energiacutea antildeadida en eacutel y +W representa trabajo efectuado por el sistema y esto representa energiacutea que sale de eacutel
lustracioacuten para indicar diferencia entre calor y trabajo
La energiacutea cruza los liacutemites del sistema porque la temperatura de las paredes es mayor que la temperatura del gas El calor cruza los liacutemites del sistema la electricidad cruza los liacutemites del sistema El trabajo cruza los liacutemites del sistema
La transferencia de calor es el proceso de propagacioacuten del calor en distintos medios La parte de la fiacutesica que estudia estos procesos se llama a su vez Transferencia de calor o Transmisioacuten de calor La transferencia de calor se produce siempre que existe un gradiente teacutermico o cuando dos sistemas con diferentes temperaturas se ponen en contacto El proceso persiste hasta alcanzar el equilibrio teacutermico es decir hasta que se igualan las temperaturas Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos o regiones lo suficientemente proacuteximas la transferencia de calor no puede ser detenida solo puede hacerse maacutes lenta
TRANSFERENCIA DE CALOR
Una barra al rojo vivo transfiere calor al ambiente principalmente por radiacioacuten teacutermica y en menor medida por conveccioacuten
La termodinaacutemica es la ciencia que estudia la relacioacuten entre el calor y otras formas de energiacutea El calor es energiacutea en traacutensito Siempre que existe un gradiente de temperatura en un sistema o se ponen en contacto dos sistemas a diferente temperatura se transfiere energiacutea entre ellos Sabemos de esta transferencia no porque la veamos sino por los cambios que se producen en el o los sistemas La Termodinaacutemica basaacutendose en los estados de cada sistema desde un punto de vista macroscoacutepico es decir en funcioacuten de atributos tales como la presioacuten la temperatura y el volumen que se pueden medir determina si ha habido cambios en la energiacutea interna de los mismos En cumplimiento del Primer principio y descartada la interaccioacuten de trabajo con el exterior la variacioacuten de energiacutea interna solo puede ser debida a calor es decir a transferencia de energiacutea de un sistema al otro
Pero los paraacutemetros macroscoacutepicos solo se pueden medir o tiene valor su medida si es homogeacutenea en todo el sistema lo que solo ocurre si estaacuten en equilibrio La termodinaacutemica por tanto se ocupa de los estados de equilibrio y en funcioacuten de sus diferencias determina la cantidad de energiacutea transferida de un estado al otro pero sin considerar el mecanismo de flujo de calor ni la velocidad a la que se ha realizado la transferencia En un anaacutelisis termodinaacutemico se sabe la cantidad de energiacutea necesaria para pasar de un estado al otro pero no se conoce cuaacutento tiempo ha requerido la transferencia porque el tiempo no se incluye como variable en el anaacutelisis1 Esto es objetivo de otra rama de la ciencia que se conoce como Transferencia de calor
La Transferencia de calor como ciencia tiene como objetivo calcular La velocidad de transferencia de calor para una diferencia de temperatura especiacutefica y no es una misioacuten baladiacute ya que casi cualquier rama de la ingenieriacutea encuentra problemas de transferencia de calor que no podriacutean ser resueltos con uacutenicamente el razonamiento termodinaacutemico
Imagen tomada de una computacioacuten de conveccioacuten en el manto terrestre los colores rojizos representan aacutereas maacutes calientes y los maacutes azules las maacutes friacuteas
bullConduccioacuten Es la transferencia de calor que se produce a traveacutes de un medio material por contacto directo entre sus partiacuteculas cuando existe una diferencia de temperatura y en virtud del movimiento de sus micro partiacuteculas El medio puede ser soacutelido liacutequido o gaseoso aunque en liacutequidos y gases solo se da la conduccioacuten pura si se excluye la posibilidad de conveccioacuten La cantidad de calor que se transfiere por conduccioacuten viene dada por la ley de Fourier Esta ley afirma que la velocidad de conduccioacuten de calor a traveacutes de un cuerpo por unidad de seccioacuten transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo
La conduccioacuten de calor o transmisioacuten de calor por conduccioacuten es un proceso de transmisioacuten de calor basado en el contacto directo entre los cuerpos sin intercambio de materia por el que el calor fluye desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura que estaacute en contacto con el primero La propiedad fiacutesica de los materiales que determina su capacidad para conducir el calor es la conductividad teacutermica La propiedad inversa de la conductividad teacutermica es la resistividad teacutermica que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor
El segundo principio de la termodinaacutemica determina que el calor soacutelo puede fluir de un cuerpo maacutes caliente a uno maacutes friacuteo la ley de Fourier fija cuantitativamente la relacioacuten entre el flujo y las variaciones espacial y temporal de la temperatura
bullConveccioacuten La transmisioacuten de calor por conveccioacuten se compone de dos mecanismos simultaacuteneos El primero es la transferencia de calor por conduccioacuten debida al movimiento molecular a la que se superpone la transferencia de energiacutea por el movimiento de fracciones del fluido que se mueven accionadas por una fuerza externa que puede ser un gradiente de densidad (conveccioacuten natural) o una diferencia de presioacuten producida mecaacutenicamente (conveccioacuten forzada) o una combinacioacuten de ambas La cantidad de calor transferido por conveccioacuten se rige por la ley de enfriamiento de Newton
bullRadiacioacuten se puede atribuir a cambios en las configuraciones electroacutenicas de los aacutetomos o moleacuteculas constitutivas En ausencia de un medio existe una transferencia neta de calor por radiacioacuten entre dos superficies a diferentes temperaturas debido a que todas las superficies con temperatura finita emiten energiacutea en forma de ondas electromagneacuteticas El calor emitido por una superficie en la unidad de tiempo viene dado por la ley de Stefan-Boltzmann
Se denomina radiacioacuten teacutermica o radiacioacuten caloriacutefica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura Todos los cuerpos emiten radiacioacuten electromagneacutetica siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada En lo que respecta a la transferencia de calor la radiacioacuten relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 01microm a 1000microm abarcando por tanto la regioacuten infrarroja del espectro electromagneacuteticoLa materia en un estado condensado (soacutelido o liacutequido) emite un espectro de radiacioacuten continuo La frecuencia de onda emitida por radiacioacuten teacutermica es una funcioacuten de densidad de probabilidad que depende solo de la temperatura
bullLa radiacioacuten infrarroja de un radiador domeacutestico comuacuten o de un calefactor eleacutectrico es un ejemplo de radiacioacuten teacutermicabullLa luz emitida por una laacutempara incandescente La radiacioacuten teacutermica se produce cuando el calor del movimiento de partiacuteculas cargadas dentro de los aacutetomos se convierte en radiacioacuten electromagneacutetica
bullLa aplicacioacuten de la ley de Planck al Sol con una temperatura superficial de unos 6000 K nos lleva a que el 99 de la radiacioacuten emitida estaacute entre las
longitudes de onda 015 (microacutemetros o micras) y 4 micras y su maacuteximo dado por la ley de Wien ocurre a 0475 micras Como 1 Aring = 10-10 m = 10-
4micras resulta que el Sol emite en un rango de 1500 Aring hasta 40000 Aring y el maacuteximo ocurre a 4750 Aring La luz visible se extiende desde 4000 Aring a 7400 Aring La radiacioacuten ultravioleta u ondas cortas iriacutean desde los 1500 Aring a los 4000 Aring y la radiacioacuten infrarroja o radiacioacuten teacutermica u ondas largas desde las 074 micras a 4 micras
Tipos de radiaciones
bullradiacioacuten de radiobullradiacioacuten de microondasbullradiacioacuten infrarrojabullradiacioacuten visiblebullradiacioacuten ultravioletabullradiacioacuten Xbullradiacioacuten gamma (es la que emite maacutes energiacutea y la maacutes peligrosa)
Comemos alimentos
Para mantener nuestras funciones bioloacutegicas
Quemamos combustibles
Para producir energiacutea eleacutectricaPara calentar nuestras casasPara generar potencia en aviones trenes automoacuteviles
Usamos cubitos de hielo
Para enfriar bebidas
Usamos calor Para convertir masa cruda en pan horneado
Todos estos ejemplos nos indican que las reacciones quiacutemicas tienen algo en comuacuten
Las reacciones quiacutemicas implican cambios de energiacuteaLa combustioacuten de la gasolina libera energiacutea
La separacioacuten del agua en hidroacutegeno y oxiacutegeno requiere energiacutea
El estudio de la energiacutea y sus transformaciones se
conoce como TERMO DINAacuteMICAThermeldquocalorrdquo
DynamisldquoPotenciardquo
La invencioacuten del termoacutemetro se atribuye a Galileo aunque el termoacutemetro sellado no aparecioacute hasta 1650
Los oriacutegenes de la Termodinaacutemica como ciencia podriacuteanestablecerse en la eacutepoca de la invencioacuten del termoacutemetro quese atribuye a Galileo En reacciones que se desarrollan bajo condiciones controladas la medicioacuten de las variaciones de temperatura permite deducir los intercambios de calor (calores de reaccioacuten)
Termoacutemetro de cristal basado en el principio fiacutesico de que la densidad de un liacutequido cambia seguacuten la temperatura descubierto por Galileo Galilei (1564-1642) En funcioacuten de los cambios de temperatura las bolas de cristal que se encuentran en el interior del termoacutemetro se desplazan hacia arriba o abajo generandose dos zonas una en la parte superior y otra en la parte inferiorCada bola lleva una placa grabada con la temperatura de correspondencia con la densidad del liacutequidoLa temperatura ambiente es mostrada por la bola mas baja del conjunto de bolas que se encuentra en la zona superior del termoacutemetroRango de 18 a 24ordmC (de 2 en 2 grados)
Los termoacutemetros modernos de alcohol y mercurio fueron inventados por el fiacutesico alemaacuten Gabriel Fahrenheit quien tambieacuten propuso la primera escala de temperaturas ampliamente adoptada que lleva su nombre Punto de fusioacuten del hielo 32ordmF
Punto de ebullicioacuten del agua 212ordmF
212-32=180(La magnitud del grado Fahrenheit es menor que la del grado centiacutegrado)
La escala centiacutegrada o Celsius fue disentildeada por el astroacutenomo sueco
Es utilizada en la mayoriacutea de los paiacutesesEl punto de congelacioacuten es 0 grados (0 ordmC) y el punto de ebullicioacuten es de 100 ordmC
Anders Celsius
Por uacuteltimo la escala de temperaturas absolutas o escala Kelvin tiene su cero a una temperatura de ndash27315ordmC 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 expresioacutenTK = TC + 27315
Este aacuterea de estudio se desarrolloacute mucho con la revolucioacuten industrial
Interesaba conocer las relaciones entre calor trabajo y el contenido energeacutetico de los combustibles
Maximizar el rendimiento de las maacutequinas de vapor
Cientiacuteficos quedestacaron por la realizacioacuten de investigaciones y descubrimientos muy relevantesen relacioacuten a la Termodinaacutemica fueron entre otros Boltzmann Carnot ClapeyronClausius Gibbs Helmholtz Hess Joule Kelvin Maxwellhellip
Sistema y medio ambiente Convenio de signos de
los intercambios energeacuteticos Condiciones estaacutendar
Pueden ocurrir intercambios demateria yo energiacutea entre sistema y medio ambiente pero eacutestos deben ser controlados
ldquoexperimentordquo
sistema
medio ambiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema
son positivos
Tanto el calor perdido
por el sistema como el
trabajo efectuado por
el sistema sobre su
entorno son negativos
El convenio de signos para los intercambios de energiacutea en forma de calor y trabajo entre sistema y medio ambiente es el siguiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema son positivos aumentan su energiacutea
Tanto el calor perdido por el sistema como el trabajo efectuado por el sistema sobre su entorno son negativos reducen la energiacutea del sistema
qgt0wgt0
qlt0wlt0
qgt0wgt0
qlt0wlt0
E
EL QUIacuteMICO ES EL SISTEMA y lo ve desde dentro
El FIacuteSICO lo ve desde fuera
El quiacutemico ve el sistema desde dentro como si EL fuese el sistema
Por ejemplo un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre ambas partes del universo
La Termodinaacutemica se relaciona con los estados de equilibrioUn estado de equilibrio es aqueacutel en el que las propiedades macroscoacutepicas del sistema temperatura densidad composicioacuten quiacutemica etc estaacuten bien definidas y no variacutean
La Termodinaacutemica permite discernir si es posible pasar de un estado de equilibrio a otro pero no la velocidad de dicha transformacioacuten
Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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 funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
FORMATObull ARIAL 12bull INTERLINIADO 15 williamrubergmailcom
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Definicioacuten termodinaacutemica de trabajo
Un sistema realiza trabajo durante un proceso si el uacutenico efecto en el medio exterior pudiese ser el levantamiento de un peso Ejm un sistema formado por una bateriacutea y un motor En los liacutemites del sistema se observa el trabajo entregado por el motor a la rueda de paletas Si se sustituye la rueda de paletas por un conjunto de peso-polea el uacutenico efecto externo a la frontera del sistema seraacute el levantamiento de un peso
Ilustracioacuten del trabajo de la rueda de paletas
TRABAJO DE UN SISTEMA
Consideremos un arreglo cilindro-pistoacuten que encierra una cierta masa de gas que ejerce presioacuten sobre la cara del pistoacuten de superficie A Si el pistoacuten se desplaza hacia la izquierda debido a la aplicacioacuten de una fuerza F externa se diraacute que los alrededores ejercen trabajo sobre el gas y su valor infinitesimal seraacute
Dicieacutendose en este caso que el gas ha sido comprimido
Trabajo mecaacutenico que se asocia con el movimiento de la frontera de un dispositivo cilindro-pistoacuten
El trabajo se puede expresar como
En termodinaacutemica se dice que un sistema se encuentra en estado de equilibrio termodinaacutemico si es incapaz de experimentar espontaacuteneamente alguacuten cambio de estado o proceso termodinaacutemico cuando estaacute sometido a unas determinadas condiciones de contorno (las condiciones que le imponen sus alrededores) Para ello ha de encontrarse simultaacuteneamente en equilibrio teacutermico equilibrio mecaacutenico y equilibrio quiacutemico
TRABAJO CASI EN EQUILIBRIO
CALOR
Es la forma de energiacutea que se transmite a traveacutes del liacutemite de un sistema que estaacute a una temperatura a otro sistema (o al medio exterior) a una temperatura mas baja debido a la diferencia de temperatura entre los dos sistemas El calor es una funcioacuten de trayectoria y su diferencial es inexacta luego
COMPARACION ENTRE CALOR Y TRABAJO
Calor y trabajo son ambos fenoacutemenos transitorios Los sistemas nunca tienen calor o trabajo pero cualquiera o ambos cruzan los liacutemites del sistema cuando eacuteste sufre un cambio de estadoAmbos calor y trabajo son fenoacutemenos de liacutemite Ambos se observan solamente en los liacutemites del sistema y ambos representan la energiacutea que cruza el liacutemite del sistema
Ambos calor y trabajo son funciones de trayectoria y diferenciales inexactasPor conveccioacuten +Q representa calor transferido al sistema y que por tanto es energiacutea antildeadida en eacutel y +W representa trabajo efectuado por el sistema y esto representa energiacutea que sale de eacutel
lustracioacuten para indicar diferencia entre calor y trabajo
La energiacutea cruza los liacutemites del sistema porque la temperatura de las paredes es mayor que la temperatura del gas El calor cruza los liacutemites del sistema la electricidad cruza los liacutemites del sistema El trabajo cruza los liacutemites del sistema
La transferencia de calor es el proceso de propagacioacuten del calor en distintos medios La parte de la fiacutesica que estudia estos procesos se llama a su vez Transferencia de calor o Transmisioacuten de calor La transferencia de calor se produce siempre que existe un gradiente teacutermico o cuando dos sistemas con diferentes temperaturas se ponen en contacto El proceso persiste hasta alcanzar el equilibrio teacutermico es decir hasta que se igualan las temperaturas Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos o regiones lo suficientemente proacuteximas la transferencia de calor no puede ser detenida solo puede hacerse maacutes lenta
TRANSFERENCIA DE CALOR
Una barra al rojo vivo transfiere calor al ambiente principalmente por radiacioacuten teacutermica y en menor medida por conveccioacuten
La termodinaacutemica es la ciencia que estudia la relacioacuten entre el calor y otras formas de energiacutea El calor es energiacutea en traacutensito Siempre que existe un gradiente de temperatura en un sistema o se ponen en contacto dos sistemas a diferente temperatura se transfiere energiacutea entre ellos Sabemos de esta transferencia no porque la veamos sino por los cambios que se producen en el o los sistemas La Termodinaacutemica basaacutendose en los estados de cada sistema desde un punto de vista macroscoacutepico es decir en funcioacuten de atributos tales como la presioacuten la temperatura y el volumen que se pueden medir determina si ha habido cambios en la energiacutea interna de los mismos En cumplimiento del Primer principio y descartada la interaccioacuten de trabajo con el exterior la variacioacuten de energiacutea interna solo puede ser debida a calor es decir a transferencia de energiacutea de un sistema al otro
Pero los paraacutemetros macroscoacutepicos solo se pueden medir o tiene valor su medida si es homogeacutenea en todo el sistema lo que solo ocurre si estaacuten en equilibrio La termodinaacutemica por tanto se ocupa de los estados de equilibrio y en funcioacuten de sus diferencias determina la cantidad de energiacutea transferida de un estado al otro pero sin considerar el mecanismo de flujo de calor ni la velocidad a la que se ha realizado la transferencia En un anaacutelisis termodinaacutemico se sabe la cantidad de energiacutea necesaria para pasar de un estado al otro pero no se conoce cuaacutento tiempo ha requerido la transferencia porque el tiempo no se incluye como variable en el anaacutelisis1 Esto es objetivo de otra rama de la ciencia que se conoce como Transferencia de calor
La Transferencia de calor como ciencia tiene como objetivo calcular La velocidad de transferencia de calor para una diferencia de temperatura especiacutefica y no es una misioacuten baladiacute ya que casi cualquier rama de la ingenieriacutea encuentra problemas de transferencia de calor que no podriacutean ser resueltos con uacutenicamente el razonamiento termodinaacutemico
Imagen tomada de una computacioacuten de conveccioacuten en el manto terrestre los colores rojizos representan aacutereas maacutes calientes y los maacutes azules las maacutes friacuteas
bullConduccioacuten Es la transferencia de calor que se produce a traveacutes de un medio material por contacto directo entre sus partiacuteculas cuando existe una diferencia de temperatura y en virtud del movimiento de sus micro partiacuteculas El medio puede ser soacutelido liacutequido o gaseoso aunque en liacutequidos y gases solo se da la conduccioacuten pura si se excluye la posibilidad de conveccioacuten La cantidad de calor que se transfiere por conduccioacuten viene dada por la ley de Fourier Esta ley afirma que la velocidad de conduccioacuten de calor a traveacutes de un cuerpo por unidad de seccioacuten transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo
La conduccioacuten de calor o transmisioacuten de calor por conduccioacuten es un proceso de transmisioacuten de calor basado en el contacto directo entre los cuerpos sin intercambio de materia por el que el calor fluye desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura que estaacute en contacto con el primero La propiedad fiacutesica de los materiales que determina su capacidad para conducir el calor es la conductividad teacutermica La propiedad inversa de la conductividad teacutermica es la resistividad teacutermica que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor
El segundo principio de la termodinaacutemica determina que el calor soacutelo puede fluir de un cuerpo maacutes caliente a uno maacutes friacuteo la ley de Fourier fija cuantitativamente la relacioacuten entre el flujo y las variaciones espacial y temporal de la temperatura
bullConveccioacuten La transmisioacuten de calor por conveccioacuten se compone de dos mecanismos simultaacuteneos El primero es la transferencia de calor por conduccioacuten debida al movimiento molecular a la que se superpone la transferencia de energiacutea por el movimiento de fracciones del fluido que se mueven accionadas por una fuerza externa que puede ser un gradiente de densidad (conveccioacuten natural) o una diferencia de presioacuten producida mecaacutenicamente (conveccioacuten forzada) o una combinacioacuten de ambas La cantidad de calor transferido por conveccioacuten se rige por la ley de enfriamiento de Newton
bullRadiacioacuten se puede atribuir a cambios en las configuraciones electroacutenicas de los aacutetomos o moleacuteculas constitutivas En ausencia de un medio existe una transferencia neta de calor por radiacioacuten entre dos superficies a diferentes temperaturas debido a que todas las superficies con temperatura finita emiten energiacutea en forma de ondas electromagneacuteticas El calor emitido por una superficie en la unidad de tiempo viene dado por la ley de Stefan-Boltzmann
Se denomina radiacioacuten teacutermica o radiacioacuten caloriacutefica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura Todos los cuerpos emiten radiacioacuten electromagneacutetica siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada En lo que respecta a la transferencia de calor la radiacioacuten relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 01microm a 1000microm abarcando por tanto la regioacuten infrarroja del espectro electromagneacuteticoLa materia en un estado condensado (soacutelido o liacutequido) emite un espectro de radiacioacuten continuo La frecuencia de onda emitida por radiacioacuten teacutermica es una funcioacuten de densidad de probabilidad que depende solo de la temperatura
bullLa radiacioacuten infrarroja de un radiador domeacutestico comuacuten o de un calefactor eleacutectrico es un ejemplo de radiacioacuten teacutermicabullLa luz emitida por una laacutempara incandescente La radiacioacuten teacutermica se produce cuando el calor del movimiento de partiacuteculas cargadas dentro de los aacutetomos se convierte en radiacioacuten electromagneacutetica
bullLa aplicacioacuten de la ley de Planck al Sol con una temperatura superficial de unos 6000 K nos lleva a que el 99 de la radiacioacuten emitida estaacute entre las
longitudes de onda 015 (microacutemetros o micras) y 4 micras y su maacuteximo dado por la ley de Wien ocurre a 0475 micras Como 1 Aring = 10-10 m = 10-
4micras resulta que el Sol emite en un rango de 1500 Aring hasta 40000 Aring y el maacuteximo ocurre a 4750 Aring La luz visible se extiende desde 4000 Aring a 7400 Aring La radiacioacuten ultravioleta u ondas cortas iriacutean desde los 1500 Aring a los 4000 Aring y la radiacioacuten infrarroja o radiacioacuten teacutermica u ondas largas desde las 074 micras a 4 micras
Tipos de radiaciones
bullradiacioacuten de radiobullradiacioacuten de microondasbullradiacioacuten infrarrojabullradiacioacuten visiblebullradiacioacuten ultravioletabullradiacioacuten Xbullradiacioacuten gamma (es la que emite maacutes energiacutea y la maacutes peligrosa)
Comemos alimentos
Para mantener nuestras funciones bioloacutegicas
Quemamos combustibles
Para producir energiacutea eleacutectricaPara calentar nuestras casasPara generar potencia en aviones trenes automoacuteviles
Usamos cubitos de hielo
Para enfriar bebidas
Usamos calor Para convertir masa cruda en pan horneado
Todos estos ejemplos nos indican que las reacciones quiacutemicas tienen algo en comuacuten
Las reacciones quiacutemicas implican cambios de energiacuteaLa combustioacuten de la gasolina libera energiacutea
La separacioacuten del agua en hidroacutegeno y oxiacutegeno requiere energiacutea
El estudio de la energiacutea y sus transformaciones se
conoce como TERMO DINAacuteMICAThermeldquocalorrdquo
DynamisldquoPotenciardquo
La invencioacuten del termoacutemetro se atribuye a Galileo aunque el termoacutemetro sellado no aparecioacute hasta 1650
Los oriacutegenes de la Termodinaacutemica como ciencia podriacuteanestablecerse en la eacutepoca de la invencioacuten del termoacutemetro quese atribuye a Galileo En reacciones que se desarrollan bajo condiciones controladas la medicioacuten de las variaciones de temperatura permite deducir los intercambios de calor (calores de reaccioacuten)
Termoacutemetro de cristal basado en el principio fiacutesico de que la densidad de un liacutequido cambia seguacuten la temperatura descubierto por Galileo Galilei (1564-1642) En funcioacuten de los cambios de temperatura las bolas de cristal que se encuentran en el interior del termoacutemetro se desplazan hacia arriba o abajo generandose dos zonas una en la parte superior y otra en la parte inferiorCada bola lleva una placa grabada con la temperatura de correspondencia con la densidad del liacutequidoLa temperatura ambiente es mostrada por la bola mas baja del conjunto de bolas que se encuentra en la zona superior del termoacutemetroRango de 18 a 24ordmC (de 2 en 2 grados)
Los termoacutemetros modernos de alcohol y mercurio fueron inventados por el fiacutesico alemaacuten Gabriel Fahrenheit quien tambieacuten propuso la primera escala de temperaturas ampliamente adoptada que lleva su nombre Punto de fusioacuten del hielo 32ordmF
Punto de ebullicioacuten del agua 212ordmF
212-32=180(La magnitud del grado Fahrenheit es menor que la del grado centiacutegrado)
La escala centiacutegrada o Celsius fue disentildeada por el astroacutenomo sueco
Es utilizada en la mayoriacutea de los paiacutesesEl punto de congelacioacuten es 0 grados (0 ordmC) y el punto de ebullicioacuten es de 100 ordmC
Anders Celsius
Por uacuteltimo la escala de temperaturas absolutas o escala Kelvin tiene su cero a una temperatura de ndash27315ordmC 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 expresioacutenTK = TC + 27315
Este aacuterea de estudio se desarrolloacute mucho con la revolucioacuten industrial
Interesaba conocer las relaciones entre calor trabajo y el contenido energeacutetico de los combustibles
Maximizar el rendimiento de las maacutequinas de vapor
Cientiacuteficos quedestacaron por la realizacioacuten de investigaciones y descubrimientos muy relevantesen relacioacuten a la Termodinaacutemica fueron entre otros Boltzmann Carnot ClapeyronClausius Gibbs Helmholtz Hess Joule Kelvin Maxwellhellip
Sistema y medio ambiente Convenio de signos de
los intercambios energeacuteticos Condiciones estaacutendar
Pueden ocurrir intercambios demateria yo energiacutea entre sistema y medio ambiente pero eacutestos deben ser controlados
ldquoexperimentordquo
sistema
medio ambiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema
son positivos
Tanto el calor perdido
por el sistema como el
trabajo efectuado por
el sistema sobre su
entorno son negativos
El convenio de signos para los intercambios de energiacutea en forma de calor y trabajo entre sistema y medio ambiente es el siguiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema son positivos aumentan su energiacutea
Tanto el calor perdido por el sistema como el trabajo efectuado por el sistema sobre su entorno son negativos reducen la energiacutea del sistema
qgt0wgt0
qlt0wlt0
qgt0wgt0
qlt0wlt0
E
EL QUIacuteMICO ES EL SISTEMA y lo ve desde dentro
El FIacuteSICO lo ve desde fuera
El quiacutemico ve el sistema desde dentro como si EL fuese el sistema
Por ejemplo un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre ambas partes del universo
La Termodinaacutemica se relaciona con los estados de equilibrioUn estado de equilibrio es aqueacutel en el que las propiedades macroscoacutepicas del sistema temperatura densidad composicioacuten quiacutemica etc estaacuten bien definidas y no variacutean
La Termodinaacutemica permite discernir si es posible pasar de un estado de equilibrio a otro pero no la velocidad de dicha transformacioacuten
Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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 funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
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TRABAJO DE UN SISTEMA
Consideremos un arreglo cilindro-pistoacuten que encierra una cierta masa de gas que ejerce presioacuten sobre la cara del pistoacuten de superficie A Si el pistoacuten se desplaza hacia la izquierda debido a la aplicacioacuten de una fuerza F externa se diraacute que los alrededores ejercen trabajo sobre el gas y su valor infinitesimal seraacute
Dicieacutendose en este caso que el gas ha sido comprimido
Trabajo mecaacutenico que se asocia con el movimiento de la frontera de un dispositivo cilindro-pistoacuten
El trabajo se puede expresar como
En termodinaacutemica se dice que un sistema se encuentra en estado de equilibrio termodinaacutemico si es incapaz de experimentar espontaacuteneamente alguacuten cambio de estado o proceso termodinaacutemico cuando estaacute sometido a unas determinadas condiciones de contorno (las condiciones que le imponen sus alrededores) Para ello ha de encontrarse simultaacuteneamente en equilibrio teacutermico equilibrio mecaacutenico y equilibrio quiacutemico
TRABAJO CASI EN EQUILIBRIO
CALOR
Es la forma de energiacutea que se transmite a traveacutes del liacutemite de un sistema que estaacute a una temperatura a otro sistema (o al medio exterior) a una temperatura mas baja debido a la diferencia de temperatura entre los dos sistemas El calor es una funcioacuten de trayectoria y su diferencial es inexacta luego
COMPARACION ENTRE CALOR Y TRABAJO
Calor y trabajo son ambos fenoacutemenos transitorios Los sistemas nunca tienen calor o trabajo pero cualquiera o ambos cruzan los liacutemites del sistema cuando eacuteste sufre un cambio de estadoAmbos calor y trabajo son fenoacutemenos de liacutemite Ambos se observan solamente en los liacutemites del sistema y ambos representan la energiacutea que cruza el liacutemite del sistema
Ambos calor y trabajo son funciones de trayectoria y diferenciales inexactasPor conveccioacuten +Q representa calor transferido al sistema y que por tanto es energiacutea antildeadida en eacutel y +W representa trabajo efectuado por el sistema y esto representa energiacutea que sale de eacutel
lustracioacuten para indicar diferencia entre calor y trabajo
La energiacutea cruza los liacutemites del sistema porque la temperatura de las paredes es mayor que la temperatura del gas El calor cruza los liacutemites del sistema la electricidad cruza los liacutemites del sistema El trabajo cruza los liacutemites del sistema
La transferencia de calor es el proceso de propagacioacuten del calor en distintos medios La parte de la fiacutesica que estudia estos procesos se llama a su vez Transferencia de calor o Transmisioacuten de calor La transferencia de calor se produce siempre que existe un gradiente teacutermico o cuando dos sistemas con diferentes temperaturas se ponen en contacto El proceso persiste hasta alcanzar el equilibrio teacutermico es decir hasta que se igualan las temperaturas Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos o regiones lo suficientemente proacuteximas la transferencia de calor no puede ser detenida solo puede hacerse maacutes lenta
TRANSFERENCIA DE CALOR
Una barra al rojo vivo transfiere calor al ambiente principalmente por radiacioacuten teacutermica y en menor medida por conveccioacuten
La termodinaacutemica es la ciencia que estudia la relacioacuten entre el calor y otras formas de energiacutea El calor es energiacutea en traacutensito Siempre que existe un gradiente de temperatura en un sistema o se ponen en contacto dos sistemas a diferente temperatura se transfiere energiacutea entre ellos Sabemos de esta transferencia no porque la veamos sino por los cambios que se producen en el o los sistemas La Termodinaacutemica basaacutendose en los estados de cada sistema desde un punto de vista macroscoacutepico es decir en funcioacuten de atributos tales como la presioacuten la temperatura y el volumen que se pueden medir determina si ha habido cambios en la energiacutea interna de los mismos En cumplimiento del Primer principio y descartada la interaccioacuten de trabajo con el exterior la variacioacuten de energiacutea interna solo puede ser debida a calor es decir a transferencia de energiacutea de un sistema al otro
Pero los paraacutemetros macroscoacutepicos solo se pueden medir o tiene valor su medida si es homogeacutenea en todo el sistema lo que solo ocurre si estaacuten en equilibrio La termodinaacutemica por tanto se ocupa de los estados de equilibrio y en funcioacuten de sus diferencias determina la cantidad de energiacutea transferida de un estado al otro pero sin considerar el mecanismo de flujo de calor ni la velocidad a la que se ha realizado la transferencia En un anaacutelisis termodinaacutemico se sabe la cantidad de energiacutea necesaria para pasar de un estado al otro pero no se conoce cuaacutento tiempo ha requerido la transferencia porque el tiempo no se incluye como variable en el anaacutelisis1 Esto es objetivo de otra rama de la ciencia que se conoce como Transferencia de calor
La Transferencia de calor como ciencia tiene como objetivo calcular La velocidad de transferencia de calor para una diferencia de temperatura especiacutefica y no es una misioacuten baladiacute ya que casi cualquier rama de la ingenieriacutea encuentra problemas de transferencia de calor que no podriacutean ser resueltos con uacutenicamente el razonamiento termodinaacutemico
Imagen tomada de una computacioacuten de conveccioacuten en el manto terrestre los colores rojizos representan aacutereas maacutes calientes y los maacutes azules las maacutes friacuteas
bullConduccioacuten Es la transferencia de calor que se produce a traveacutes de un medio material por contacto directo entre sus partiacuteculas cuando existe una diferencia de temperatura y en virtud del movimiento de sus micro partiacuteculas El medio puede ser soacutelido liacutequido o gaseoso aunque en liacutequidos y gases solo se da la conduccioacuten pura si se excluye la posibilidad de conveccioacuten La cantidad de calor que se transfiere por conduccioacuten viene dada por la ley de Fourier Esta ley afirma que la velocidad de conduccioacuten de calor a traveacutes de un cuerpo por unidad de seccioacuten transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo
La conduccioacuten de calor o transmisioacuten de calor por conduccioacuten es un proceso de transmisioacuten de calor basado en el contacto directo entre los cuerpos sin intercambio de materia por el que el calor fluye desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura que estaacute en contacto con el primero La propiedad fiacutesica de los materiales que determina su capacidad para conducir el calor es la conductividad teacutermica La propiedad inversa de la conductividad teacutermica es la resistividad teacutermica que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor
El segundo principio de la termodinaacutemica determina que el calor soacutelo puede fluir de un cuerpo maacutes caliente a uno maacutes friacuteo la ley de Fourier fija cuantitativamente la relacioacuten entre el flujo y las variaciones espacial y temporal de la temperatura
bullConveccioacuten La transmisioacuten de calor por conveccioacuten se compone de dos mecanismos simultaacuteneos El primero es la transferencia de calor por conduccioacuten debida al movimiento molecular a la que se superpone la transferencia de energiacutea por el movimiento de fracciones del fluido que se mueven accionadas por una fuerza externa que puede ser un gradiente de densidad (conveccioacuten natural) o una diferencia de presioacuten producida mecaacutenicamente (conveccioacuten forzada) o una combinacioacuten de ambas La cantidad de calor transferido por conveccioacuten se rige por la ley de enfriamiento de Newton
bullRadiacioacuten se puede atribuir a cambios en las configuraciones electroacutenicas de los aacutetomos o moleacuteculas constitutivas En ausencia de un medio existe una transferencia neta de calor por radiacioacuten entre dos superficies a diferentes temperaturas debido a que todas las superficies con temperatura finita emiten energiacutea en forma de ondas electromagneacuteticas El calor emitido por una superficie en la unidad de tiempo viene dado por la ley de Stefan-Boltzmann
Se denomina radiacioacuten teacutermica o radiacioacuten caloriacutefica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura Todos los cuerpos emiten radiacioacuten electromagneacutetica siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada En lo que respecta a la transferencia de calor la radiacioacuten relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 01microm a 1000microm abarcando por tanto la regioacuten infrarroja del espectro electromagneacuteticoLa materia en un estado condensado (soacutelido o liacutequido) emite un espectro de radiacioacuten continuo La frecuencia de onda emitida por radiacioacuten teacutermica es una funcioacuten de densidad de probabilidad que depende solo de la temperatura
bullLa radiacioacuten infrarroja de un radiador domeacutestico comuacuten o de un calefactor eleacutectrico es un ejemplo de radiacioacuten teacutermicabullLa luz emitida por una laacutempara incandescente La radiacioacuten teacutermica se produce cuando el calor del movimiento de partiacuteculas cargadas dentro de los aacutetomos se convierte en radiacioacuten electromagneacutetica
bullLa aplicacioacuten de la ley de Planck al Sol con una temperatura superficial de unos 6000 K nos lleva a que el 99 de la radiacioacuten emitida estaacute entre las
longitudes de onda 015 (microacutemetros o micras) y 4 micras y su maacuteximo dado por la ley de Wien ocurre a 0475 micras Como 1 Aring = 10-10 m = 10-
4micras resulta que el Sol emite en un rango de 1500 Aring hasta 40000 Aring y el maacuteximo ocurre a 4750 Aring La luz visible se extiende desde 4000 Aring a 7400 Aring La radiacioacuten ultravioleta u ondas cortas iriacutean desde los 1500 Aring a los 4000 Aring y la radiacioacuten infrarroja o radiacioacuten teacutermica u ondas largas desde las 074 micras a 4 micras
Tipos de radiaciones
bullradiacioacuten de radiobullradiacioacuten de microondasbullradiacioacuten infrarrojabullradiacioacuten visiblebullradiacioacuten ultravioletabullradiacioacuten Xbullradiacioacuten gamma (es la que emite maacutes energiacutea y la maacutes peligrosa)
Comemos alimentos
Para mantener nuestras funciones bioloacutegicas
Quemamos combustibles
Para producir energiacutea eleacutectricaPara calentar nuestras casasPara generar potencia en aviones trenes automoacuteviles
Usamos cubitos de hielo
Para enfriar bebidas
Usamos calor Para convertir masa cruda en pan horneado
Todos estos ejemplos nos indican que las reacciones quiacutemicas tienen algo en comuacuten
Las reacciones quiacutemicas implican cambios de energiacuteaLa combustioacuten de la gasolina libera energiacutea
La separacioacuten del agua en hidroacutegeno y oxiacutegeno requiere energiacutea
El estudio de la energiacutea y sus transformaciones se
conoce como TERMO DINAacuteMICAThermeldquocalorrdquo
DynamisldquoPotenciardquo
La invencioacuten del termoacutemetro se atribuye a Galileo aunque el termoacutemetro sellado no aparecioacute hasta 1650
Los oriacutegenes de la Termodinaacutemica como ciencia podriacuteanestablecerse en la eacutepoca de la invencioacuten del termoacutemetro quese atribuye a Galileo En reacciones que se desarrollan bajo condiciones controladas la medicioacuten de las variaciones de temperatura permite deducir los intercambios de calor (calores de reaccioacuten)
Termoacutemetro de cristal basado en el principio fiacutesico de que la densidad de un liacutequido cambia seguacuten la temperatura descubierto por Galileo Galilei (1564-1642) En funcioacuten de los cambios de temperatura las bolas de cristal que se encuentran en el interior del termoacutemetro se desplazan hacia arriba o abajo generandose dos zonas una en la parte superior y otra en la parte inferiorCada bola lleva una placa grabada con la temperatura de correspondencia con la densidad del liacutequidoLa temperatura ambiente es mostrada por la bola mas baja del conjunto de bolas que se encuentra en la zona superior del termoacutemetroRango de 18 a 24ordmC (de 2 en 2 grados)
Los termoacutemetros modernos de alcohol y mercurio fueron inventados por el fiacutesico alemaacuten Gabriel Fahrenheit quien tambieacuten propuso la primera escala de temperaturas ampliamente adoptada que lleva su nombre Punto de fusioacuten del hielo 32ordmF
Punto de ebullicioacuten del agua 212ordmF
212-32=180(La magnitud del grado Fahrenheit es menor que la del grado centiacutegrado)
La escala centiacutegrada o Celsius fue disentildeada por el astroacutenomo sueco
Es utilizada en la mayoriacutea de los paiacutesesEl punto de congelacioacuten es 0 grados (0 ordmC) y el punto de ebullicioacuten es de 100 ordmC
Anders Celsius
Por uacuteltimo la escala de temperaturas absolutas o escala Kelvin tiene su cero a una temperatura de ndash27315ordmC 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 expresioacutenTK = TC + 27315
Este aacuterea de estudio se desarrolloacute mucho con la revolucioacuten industrial
Interesaba conocer las relaciones entre calor trabajo y el contenido energeacutetico de los combustibles
Maximizar el rendimiento de las maacutequinas de vapor
Cientiacuteficos quedestacaron por la realizacioacuten de investigaciones y descubrimientos muy relevantesen relacioacuten a la Termodinaacutemica fueron entre otros Boltzmann Carnot ClapeyronClausius Gibbs Helmholtz Hess Joule Kelvin Maxwellhellip
Sistema y medio ambiente Convenio de signos de
los intercambios energeacuteticos Condiciones estaacutendar
Pueden ocurrir intercambios demateria yo energiacutea entre sistema y medio ambiente pero eacutestos deben ser controlados
ldquoexperimentordquo
sistema
medio ambiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema
son positivos
Tanto el calor perdido
por el sistema como el
trabajo efectuado por
el sistema sobre su
entorno son negativos
El convenio de signos para los intercambios de energiacutea en forma de calor y trabajo entre sistema y medio ambiente es el siguiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema son positivos aumentan su energiacutea
Tanto el calor perdido por el sistema como el trabajo efectuado por el sistema sobre su entorno son negativos reducen la energiacutea del sistema
qgt0wgt0
qlt0wlt0
qgt0wgt0
qlt0wlt0
E
EL QUIacuteMICO ES EL SISTEMA y lo ve desde dentro
El FIacuteSICO lo ve desde fuera
El quiacutemico ve el sistema desde dentro como si EL fuese el sistema
Por ejemplo un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre ambas partes del universo
La Termodinaacutemica se relaciona con los estados de equilibrioUn estado de equilibrio es aqueacutel en el que las propiedades macroscoacutepicas del sistema temperatura densidad composicioacuten quiacutemica etc estaacuten bien definidas y no variacutean
La Termodinaacutemica permite discernir si es posible pasar de un estado de equilibrio a otro pero no la velocidad de dicha transformacioacuten
Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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 funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
FORMATObull ARIAL 12bull INTERLINIADO 15 williamrubergmailcom
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TRABAJO DE UN SISTEMA
Consideremos un arreglo cilindro-pistoacuten que encierra una cierta masa de gas que ejerce presioacuten sobre la cara del pistoacuten de superficie A Si el pistoacuten se desplaza hacia la izquierda debido a la aplicacioacuten de una fuerza F externa se diraacute que los alrededores ejercen trabajo sobre el gas y su valor infinitesimal seraacute
Dicieacutendose en este caso que el gas ha sido comprimido
Trabajo mecaacutenico que se asocia con el movimiento de la frontera de un dispositivo cilindro-pistoacuten
El trabajo se puede expresar como
En termodinaacutemica se dice que un sistema se encuentra en estado de equilibrio termodinaacutemico si es incapaz de experimentar espontaacuteneamente alguacuten cambio de estado o proceso termodinaacutemico cuando estaacute sometido a unas determinadas condiciones de contorno (las condiciones que le imponen sus alrededores) Para ello ha de encontrarse simultaacuteneamente en equilibrio teacutermico equilibrio mecaacutenico y equilibrio quiacutemico
TRABAJO CASI EN EQUILIBRIO
CALOR
Es la forma de energiacutea que se transmite a traveacutes del liacutemite de un sistema que estaacute a una temperatura a otro sistema (o al medio exterior) a una temperatura mas baja debido a la diferencia de temperatura entre los dos sistemas El calor es una funcioacuten de trayectoria y su diferencial es inexacta luego
COMPARACION ENTRE CALOR Y TRABAJO
Calor y trabajo son ambos fenoacutemenos transitorios Los sistemas nunca tienen calor o trabajo pero cualquiera o ambos cruzan los liacutemites del sistema cuando eacuteste sufre un cambio de estadoAmbos calor y trabajo son fenoacutemenos de liacutemite Ambos se observan solamente en los liacutemites del sistema y ambos representan la energiacutea que cruza el liacutemite del sistema
Ambos calor y trabajo son funciones de trayectoria y diferenciales inexactasPor conveccioacuten +Q representa calor transferido al sistema y que por tanto es energiacutea antildeadida en eacutel y +W representa trabajo efectuado por el sistema y esto representa energiacutea que sale de eacutel
lustracioacuten para indicar diferencia entre calor y trabajo
La energiacutea cruza los liacutemites del sistema porque la temperatura de las paredes es mayor que la temperatura del gas El calor cruza los liacutemites del sistema la electricidad cruza los liacutemites del sistema El trabajo cruza los liacutemites del sistema
La transferencia de calor es el proceso de propagacioacuten del calor en distintos medios La parte de la fiacutesica que estudia estos procesos se llama a su vez Transferencia de calor o Transmisioacuten de calor La transferencia de calor se produce siempre que existe un gradiente teacutermico o cuando dos sistemas con diferentes temperaturas se ponen en contacto El proceso persiste hasta alcanzar el equilibrio teacutermico es decir hasta que se igualan las temperaturas Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos o regiones lo suficientemente proacuteximas la transferencia de calor no puede ser detenida solo puede hacerse maacutes lenta
TRANSFERENCIA DE CALOR
Una barra al rojo vivo transfiere calor al ambiente principalmente por radiacioacuten teacutermica y en menor medida por conveccioacuten
La termodinaacutemica es la ciencia que estudia la relacioacuten entre el calor y otras formas de energiacutea El calor es energiacutea en traacutensito Siempre que existe un gradiente de temperatura en un sistema o se ponen en contacto dos sistemas a diferente temperatura se transfiere energiacutea entre ellos Sabemos de esta transferencia no porque la veamos sino por los cambios que se producen en el o los sistemas La Termodinaacutemica basaacutendose en los estados de cada sistema desde un punto de vista macroscoacutepico es decir en funcioacuten de atributos tales como la presioacuten la temperatura y el volumen que se pueden medir determina si ha habido cambios en la energiacutea interna de los mismos En cumplimiento del Primer principio y descartada la interaccioacuten de trabajo con el exterior la variacioacuten de energiacutea interna solo puede ser debida a calor es decir a transferencia de energiacutea de un sistema al otro
Pero los paraacutemetros macroscoacutepicos solo se pueden medir o tiene valor su medida si es homogeacutenea en todo el sistema lo que solo ocurre si estaacuten en equilibrio La termodinaacutemica por tanto se ocupa de los estados de equilibrio y en funcioacuten de sus diferencias determina la cantidad de energiacutea transferida de un estado al otro pero sin considerar el mecanismo de flujo de calor ni la velocidad a la que se ha realizado la transferencia En un anaacutelisis termodinaacutemico se sabe la cantidad de energiacutea necesaria para pasar de un estado al otro pero no se conoce cuaacutento tiempo ha requerido la transferencia porque el tiempo no se incluye como variable en el anaacutelisis1 Esto es objetivo de otra rama de la ciencia que se conoce como Transferencia de calor
La Transferencia de calor como ciencia tiene como objetivo calcular La velocidad de transferencia de calor para una diferencia de temperatura especiacutefica y no es una misioacuten baladiacute ya que casi cualquier rama de la ingenieriacutea encuentra problemas de transferencia de calor que no podriacutean ser resueltos con uacutenicamente el razonamiento termodinaacutemico
Imagen tomada de una computacioacuten de conveccioacuten en el manto terrestre los colores rojizos representan aacutereas maacutes calientes y los maacutes azules las maacutes friacuteas
bullConduccioacuten Es la transferencia de calor que se produce a traveacutes de un medio material por contacto directo entre sus partiacuteculas cuando existe una diferencia de temperatura y en virtud del movimiento de sus micro partiacuteculas El medio puede ser soacutelido liacutequido o gaseoso aunque en liacutequidos y gases solo se da la conduccioacuten pura si se excluye la posibilidad de conveccioacuten La cantidad de calor que se transfiere por conduccioacuten viene dada por la ley de Fourier Esta ley afirma que la velocidad de conduccioacuten de calor a traveacutes de un cuerpo por unidad de seccioacuten transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo
La conduccioacuten de calor o transmisioacuten de calor por conduccioacuten es un proceso de transmisioacuten de calor basado en el contacto directo entre los cuerpos sin intercambio de materia por el que el calor fluye desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura que estaacute en contacto con el primero La propiedad fiacutesica de los materiales que determina su capacidad para conducir el calor es la conductividad teacutermica La propiedad inversa de la conductividad teacutermica es la resistividad teacutermica que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor
El segundo principio de la termodinaacutemica determina que el calor soacutelo puede fluir de un cuerpo maacutes caliente a uno maacutes friacuteo la ley de Fourier fija cuantitativamente la relacioacuten entre el flujo y las variaciones espacial y temporal de la temperatura
bullConveccioacuten La transmisioacuten de calor por conveccioacuten se compone de dos mecanismos simultaacuteneos El primero es la transferencia de calor por conduccioacuten debida al movimiento molecular a la que se superpone la transferencia de energiacutea por el movimiento de fracciones del fluido que se mueven accionadas por una fuerza externa que puede ser un gradiente de densidad (conveccioacuten natural) o una diferencia de presioacuten producida mecaacutenicamente (conveccioacuten forzada) o una combinacioacuten de ambas La cantidad de calor transferido por conveccioacuten se rige por la ley de enfriamiento de Newton
bullRadiacioacuten se puede atribuir a cambios en las configuraciones electroacutenicas de los aacutetomos o moleacuteculas constitutivas En ausencia de un medio existe una transferencia neta de calor por radiacioacuten entre dos superficies a diferentes temperaturas debido a que todas las superficies con temperatura finita emiten energiacutea en forma de ondas electromagneacuteticas El calor emitido por una superficie en la unidad de tiempo viene dado por la ley de Stefan-Boltzmann
Se denomina radiacioacuten teacutermica o radiacioacuten caloriacutefica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura Todos los cuerpos emiten radiacioacuten electromagneacutetica siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada En lo que respecta a la transferencia de calor la radiacioacuten relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 01microm a 1000microm abarcando por tanto la regioacuten infrarroja del espectro electromagneacuteticoLa materia en un estado condensado (soacutelido o liacutequido) emite un espectro de radiacioacuten continuo La frecuencia de onda emitida por radiacioacuten teacutermica es una funcioacuten de densidad de probabilidad que depende solo de la temperatura
bullLa radiacioacuten infrarroja de un radiador domeacutestico comuacuten o de un calefactor eleacutectrico es un ejemplo de radiacioacuten teacutermicabullLa luz emitida por una laacutempara incandescente La radiacioacuten teacutermica se produce cuando el calor del movimiento de partiacuteculas cargadas dentro de los aacutetomos se convierte en radiacioacuten electromagneacutetica
bullLa aplicacioacuten de la ley de Planck al Sol con una temperatura superficial de unos 6000 K nos lleva a que el 99 de la radiacioacuten emitida estaacute entre las
longitudes de onda 015 (microacutemetros o micras) y 4 micras y su maacuteximo dado por la ley de Wien ocurre a 0475 micras Como 1 Aring = 10-10 m = 10-
4micras resulta que el Sol emite en un rango de 1500 Aring hasta 40000 Aring y el maacuteximo ocurre a 4750 Aring La luz visible se extiende desde 4000 Aring a 7400 Aring La radiacioacuten ultravioleta u ondas cortas iriacutean desde los 1500 Aring a los 4000 Aring y la radiacioacuten infrarroja o radiacioacuten teacutermica u ondas largas desde las 074 micras a 4 micras
Tipos de radiaciones
bullradiacioacuten de radiobullradiacioacuten de microondasbullradiacioacuten infrarrojabullradiacioacuten visiblebullradiacioacuten ultravioletabullradiacioacuten Xbullradiacioacuten gamma (es la que emite maacutes energiacutea y la maacutes peligrosa)
Comemos alimentos
Para mantener nuestras funciones bioloacutegicas
Quemamos combustibles
Para producir energiacutea eleacutectricaPara calentar nuestras casasPara generar potencia en aviones trenes automoacuteviles
Usamos cubitos de hielo
Para enfriar bebidas
Usamos calor Para convertir masa cruda en pan horneado
Todos estos ejemplos nos indican que las reacciones quiacutemicas tienen algo en comuacuten
Las reacciones quiacutemicas implican cambios de energiacuteaLa combustioacuten de la gasolina libera energiacutea
La separacioacuten del agua en hidroacutegeno y oxiacutegeno requiere energiacutea
El estudio de la energiacutea y sus transformaciones se
conoce como TERMO DINAacuteMICAThermeldquocalorrdquo
DynamisldquoPotenciardquo
La invencioacuten del termoacutemetro se atribuye a Galileo aunque el termoacutemetro sellado no aparecioacute hasta 1650
Los oriacutegenes de la Termodinaacutemica como ciencia podriacuteanestablecerse en la eacutepoca de la invencioacuten del termoacutemetro quese atribuye a Galileo En reacciones que se desarrollan bajo condiciones controladas la medicioacuten de las variaciones de temperatura permite deducir los intercambios de calor (calores de reaccioacuten)
Termoacutemetro de cristal basado en el principio fiacutesico de que la densidad de un liacutequido cambia seguacuten la temperatura descubierto por Galileo Galilei (1564-1642) En funcioacuten de los cambios de temperatura las bolas de cristal que se encuentran en el interior del termoacutemetro se desplazan hacia arriba o abajo generandose dos zonas una en la parte superior y otra en la parte inferiorCada bola lleva una placa grabada con la temperatura de correspondencia con la densidad del liacutequidoLa temperatura ambiente es mostrada por la bola mas baja del conjunto de bolas que se encuentra en la zona superior del termoacutemetroRango de 18 a 24ordmC (de 2 en 2 grados)
Los termoacutemetros modernos de alcohol y mercurio fueron inventados por el fiacutesico alemaacuten Gabriel Fahrenheit quien tambieacuten propuso la primera escala de temperaturas ampliamente adoptada que lleva su nombre Punto de fusioacuten del hielo 32ordmF
Punto de ebullicioacuten del agua 212ordmF
212-32=180(La magnitud del grado Fahrenheit es menor que la del grado centiacutegrado)
La escala centiacutegrada o Celsius fue disentildeada por el astroacutenomo sueco
Es utilizada en la mayoriacutea de los paiacutesesEl punto de congelacioacuten es 0 grados (0 ordmC) y el punto de ebullicioacuten es de 100 ordmC
Anders Celsius
Por uacuteltimo la escala de temperaturas absolutas o escala Kelvin tiene su cero a una temperatura de ndash27315ordmC 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 expresioacutenTK = TC + 27315
Este aacuterea de estudio se desarrolloacute mucho con la revolucioacuten industrial
Interesaba conocer las relaciones entre calor trabajo y el contenido energeacutetico de los combustibles
Maximizar el rendimiento de las maacutequinas de vapor
Cientiacuteficos quedestacaron por la realizacioacuten de investigaciones y descubrimientos muy relevantesen relacioacuten a la Termodinaacutemica fueron entre otros Boltzmann Carnot ClapeyronClausius Gibbs Helmholtz Hess Joule Kelvin Maxwellhellip
Sistema y medio ambiente Convenio de signos de
los intercambios energeacuteticos Condiciones estaacutendar
Pueden ocurrir intercambios demateria yo energiacutea entre sistema y medio ambiente pero eacutestos deben ser controlados
ldquoexperimentordquo
sistema
medio ambiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema
son positivos
Tanto el calor perdido
por el sistema como el
trabajo efectuado por
el sistema sobre su
entorno son negativos
El convenio de signos para los intercambios de energiacutea en forma de calor y trabajo entre sistema y medio ambiente es el siguiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema son positivos aumentan su energiacutea
Tanto el calor perdido por el sistema como el trabajo efectuado por el sistema sobre su entorno son negativos reducen la energiacutea del sistema
qgt0wgt0
qlt0wlt0
qgt0wgt0
qlt0wlt0
E
EL QUIacuteMICO ES EL SISTEMA y lo ve desde dentro
El FIacuteSICO lo ve desde fuera
El quiacutemico ve el sistema desde dentro como si EL fuese el sistema
Por ejemplo un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre ambas partes del universo
La Termodinaacutemica se relaciona con los estados de equilibrioUn estado de equilibrio es aqueacutel en el que las propiedades macroscoacutepicas del sistema temperatura densidad composicioacuten quiacutemica etc estaacuten bien definidas y no variacutean
La Termodinaacutemica permite discernir si es posible pasar de un estado de equilibrio a otro pero no la velocidad de dicha transformacioacuten
Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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 funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
FORMATObull ARIAL 12bull INTERLINIADO 15 williamrubergmailcom
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Dicieacutendose en este caso que el gas ha sido comprimido
Trabajo mecaacutenico que se asocia con el movimiento de la frontera de un dispositivo cilindro-pistoacuten
El trabajo se puede expresar como
En termodinaacutemica se dice que un sistema se encuentra en estado de equilibrio termodinaacutemico si es incapaz de experimentar espontaacuteneamente alguacuten cambio de estado o proceso termodinaacutemico cuando estaacute sometido a unas determinadas condiciones de contorno (las condiciones que le imponen sus alrededores) Para ello ha de encontrarse simultaacuteneamente en equilibrio teacutermico equilibrio mecaacutenico y equilibrio quiacutemico
TRABAJO CASI EN EQUILIBRIO
CALOR
Es la forma de energiacutea que se transmite a traveacutes del liacutemite de un sistema que estaacute a una temperatura a otro sistema (o al medio exterior) a una temperatura mas baja debido a la diferencia de temperatura entre los dos sistemas El calor es una funcioacuten de trayectoria y su diferencial es inexacta luego
COMPARACION ENTRE CALOR Y TRABAJO
Calor y trabajo son ambos fenoacutemenos transitorios Los sistemas nunca tienen calor o trabajo pero cualquiera o ambos cruzan los liacutemites del sistema cuando eacuteste sufre un cambio de estadoAmbos calor y trabajo son fenoacutemenos de liacutemite Ambos se observan solamente en los liacutemites del sistema y ambos representan la energiacutea que cruza el liacutemite del sistema
Ambos calor y trabajo son funciones de trayectoria y diferenciales inexactasPor conveccioacuten +Q representa calor transferido al sistema y que por tanto es energiacutea antildeadida en eacutel y +W representa trabajo efectuado por el sistema y esto representa energiacutea que sale de eacutel
lustracioacuten para indicar diferencia entre calor y trabajo
La energiacutea cruza los liacutemites del sistema porque la temperatura de las paredes es mayor que la temperatura del gas El calor cruza los liacutemites del sistema la electricidad cruza los liacutemites del sistema El trabajo cruza los liacutemites del sistema
La transferencia de calor es el proceso de propagacioacuten del calor en distintos medios La parte de la fiacutesica que estudia estos procesos se llama a su vez Transferencia de calor o Transmisioacuten de calor La transferencia de calor se produce siempre que existe un gradiente teacutermico o cuando dos sistemas con diferentes temperaturas se ponen en contacto El proceso persiste hasta alcanzar el equilibrio teacutermico es decir hasta que se igualan las temperaturas Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos o regiones lo suficientemente proacuteximas la transferencia de calor no puede ser detenida solo puede hacerse maacutes lenta
TRANSFERENCIA DE CALOR
Una barra al rojo vivo transfiere calor al ambiente principalmente por radiacioacuten teacutermica y en menor medida por conveccioacuten
La termodinaacutemica es la ciencia que estudia la relacioacuten entre el calor y otras formas de energiacutea El calor es energiacutea en traacutensito Siempre que existe un gradiente de temperatura en un sistema o se ponen en contacto dos sistemas a diferente temperatura se transfiere energiacutea entre ellos Sabemos de esta transferencia no porque la veamos sino por los cambios que se producen en el o los sistemas La Termodinaacutemica basaacutendose en los estados de cada sistema desde un punto de vista macroscoacutepico es decir en funcioacuten de atributos tales como la presioacuten la temperatura y el volumen que se pueden medir determina si ha habido cambios en la energiacutea interna de los mismos En cumplimiento del Primer principio y descartada la interaccioacuten de trabajo con el exterior la variacioacuten de energiacutea interna solo puede ser debida a calor es decir a transferencia de energiacutea de un sistema al otro
Pero los paraacutemetros macroscoacutepicos solo se pueden medir o tiene valor su medida si es homogeacutenea en todo el sistema lo que solo ocurre si estaacuten en equilibrio La termodinaacutemica por tanto se ocupa de los estados de equilibrio y en funcioacuten de sus diferencias determina la cantidad de energiacutea transferida de un estado al otro pero sin considerar el mecanismo de flujo de calor ni la velocidad a la que se ha realizado la transferencia En un anaacutelisis termodinaacutemico se sabe la cantidad de energiacutea necesaria para pasar de un estado al otro pero no se conoce cuaacutento tiempo ha requerido la transferencia porque el tiempo no se incluye como variable en el anaacutelisis1 Esto es objetivo de otra rama de la ciencia que se conoce como Transferencia de calor
La Transferencia de calor como ciencia tiene como objetivo calcular La velocidad de transferencia de calor para una diferencia de temperatura especiacutefica y no es una misioacuten baladiacute ya que casi cualquier rama de la ingenieriacutea encuentra problemas de transferencia de calor que no podriacutean ser resueltos con uacutenicamente el razonamiento termodinaacutemico
Imagen tomada de una computacioacuten de conveccioacuten en el manto terrestre los colores rojizos representan aacutereas maacutes calientes y los maacutes azules las maacutes friacuteas
bullConduccioacuten Es la transferencia de calor que se produce a traveacutes de un medio material por contacto directo entre sus partiacuteculas cuando existe una diferencia de temperatura y en virtud del movimiento de sus micro partiacuteculas El medio puede ser soacutelido liacutequido o gaseoso aunque en liacutequidos y gases solo se da la conduccioacuten pura si se excluye la posibilidad de conveccioacuten La cantidad de calor que se transfiere por conduccioacuten viene dada por la ley de Fourier Esta ley afirma que la velocidad de conduccioacuten de calor a traveacutes de un cuerpo por unidad de seccioacuten transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo
La conduccioacuten de calor o transmisioacuten de calor por conduccioacuten es un proceso de transmisioacuten de calor basado en el contacto directo entre los cuerpos sin intercambio de materia por el que el calor fluye desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura que estaacute en contacto con el primero La propiedad fiacutesica de los materiales que determina su capacidad para conducir el calor es la conductividad teacutermica La propiedad inversa de la conductividad teacutermica es la resistividad teacutermica que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor
El segundo principio de la termodinaacutemica determina que el calor soacutelo puede fluir de un cuerpo maacutes caliente a uno maacutes friacuteo la ley de Fourier fija cuantitativamente la relacioacuten entre el flujo y las variaciones espacial y temporal de la temperatura
bullConveccioacuten La transmisioacuten de calor por conveccioacuten se compone de dos mecanismos simultaacuteneos El primero es la transferencia de calor por conduccioacuten debida al movimiento molecular a la que se superpone la transferencia de energiacutea por el movimiento de fracciones del fluido que se mueven accionadas por una fuerza externa que puede ser un gradiente de densidad (conveccioacuten natural) o una diferencia de presioacuten producida mecaacutenicamente (conveccioacuten forzada) o una combinacioacuten de ambas La cantidad de calor transferido por conveccioacuten se rige por la ley de enfriamiento de Newton
bullRadiacioacuten se puede atribuir a cambios en las configuraciones electroacutenicas de los aacutetomos o moleacuteculas constitutivas En ausencia de un medio existe una transferencia neta de calor por radiacioacuten entre dos superficies a diferentes temperaturas debido a que todas las superficies con temperatura finita emiten energiacutea en forma de ondas electromagneacuteticas El calor emitido por una superficie en la unidad de tiempo viene dado por la ley de Stefan-Boltzmann
Se denomina radiacioacuten teacutermica o radiacioacuten caloriacutefica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura Todos los cuerpos emiten radiacioacuten electromagneacutetica siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada En lo que respecta a la transferencia de calor la radiacioacuten relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 01microm a 1000microm abarcando por tanto la regioacuten infrarroja del espectro electromagneacuteticoLa materia en un estado condensado (soacutelido o liacutequido) emite un espectro de radiacioacuten continuo La frecuencia de onda emitida por radiacioacuten teacutermica es una funcioacuten de densidad de probabilidad que depende solo de la temperatura
bullLa radiacioacuten infrarroja de un radiador domeacutestico comuacuten o de un calefactor eleacutectrico es un ejemplo de radiacioacuten teacutermicabullLa luz emitida por una laacutempara incandescente La radiacioacuten teacutermica se produce cuando el calor del movimiento de partiacuteculas cargadas dentro de los aacutetomos se convierte en radiacioacuten electromagneacutetica
bullLa aplicacioacuten de la ley de Planck al Sol con una temperatura superficial de unos 6000 K nos lleva a que el 99 de la radiacioacuten emitida estaacute entre las
longitudes de onda 015 (microacutemetros o micras) y 4 micras y su maacuteximo dado por la ley de Wien ocurre a 0475 micras Como 1 Aring = 10-10 m = 10-
4micras resulta que el Sol emite en un rango de 1500 Aring hasta 40000 Aring y el maacuteximo ocurre a 4750 Aring La luz visible se extiende desde 4000 Aring a 7400 Aring La radiacioacuten ultravioleta u ondas cortas iriacutean desde los 1500 Aring a los 4000 Aring y la radiacioacuten infrarroja o radiacioacuten teacutermica u ondas largas desde las 074 micras a 4 micras
Tipos de radiaciones
bullradiacioacuten de radiobullradiacioacuten de microondasbullradiacioacuten infrarrojabullradiacioacuten visiblebullradiacioacuten ultravioletabullradiacioacuten Xbullradiacioacuten gamma (es la que emite maacutes energiacutea y la maacutes peligrosa)
Comemos alimentos
Para mantener nuestras funciones bioloacutegicas
Quemamos combustibles
Para producir energiacutea eleacutectricaPara calentar nuestras casasPara generar potencia en aviones trenes automoacuteviles
Usamos cubitos de hielo
Para enfriar bebidas
Usamos calor Para convertir masa cruda en pan horneado
Todos estos ejemplos nos indican que las reacciones quiacutemicas tienen algo en comuacuten
Las reacciones quiacutemicas implican cambios de energiacuteaLa combustioacuten de la gasolina libera energiacutea
La separacioacuten del agua en hidroacutegeno y oxiacutegeno requiere energiacutea
El estudio de la energiacutea y sus transformaciones se
conoce como TERMO DINAacuteMICAThermeldquocalorrdquo
DynamisldquoPotenciardquo
La invencioacuten del termoacutemetro se atribuye a Galileo aunque el termoacutemetro sellado no aparecioacute hasta 1650
Los oriacutegenes de la Termodinaacutemica como ciencia podriacuteanestablecerse en la eacutepoca de la invencioacuten del termoacutemetro quese atribuye a Galileo En reacciones que se desarrollan bajo condiciones controladas la medicioacuten de las variaciones de temperatura permite deducir los intercambios de calor (calores de reaccioacuten)
Termoacutemetro de cristal basado en el principio fiacutesico de que la densidad de un liacutequido cambia seguacuten la temperatura descubierto por Galileo Galilei (1564-1642) En funcioacuten de los cambios de temperatura las bolas de cristal que se encuentran en el interior del termoacutemetro se desplazan hacia arriba o abajo generandose dos zonas una en la parte superior y otra en la parte inferiorCada bola lleva una placa grabada con la temperatura de correspondencia con la densidad del liacutequidoLa temperatura ambiente es mostrada por la bola mas baja del conjunto de bolas que se encuentra en la zona superior del termoacutemetroRango de 18 a 24ordmC (de 2 en 2 grados)
Los termoacutemetros modernos de alcohol y mercurio fueron inventados por el fiacutesico alemaacuten Gabriel Fahrenheit quien tambieacuten propuso la primera escala de temperaturas ampliamente adoptada que lleva su nombre Punto de fusioacuten del hielo 32ordmF
Punto de ebullicioacuten del agua 212ordmF
212-32=180(La magnitud del grado Fahrenheit es menor que la del grado centiacutegrado)
La escala centiacutegrada o Celsius fue disentildeada por el astroacutenomo sueco
Es utilizada en la mayoriacutea de los paiacutesesEl punto de congelacioacuten es 0 grados (0 ordmC) y el punto de ebullicioacuten es de 100 ordmC
Anders Celsius
Por uacuteltimo la escala de temperaturas absolutas o escala Kelvin tiene su cero a una temperatura de ndash27315ordmC 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 expresioacutenTK = TC + 27315
Este aacuterea de estudio se desarrolloacute mucho con la revolucioacuten industrial
Interesaba conocer las relaciones entre calor trabajo y el contenido energeacutetico de los combustibles
Maximizar el rendimiento de las maacutequinas de vapor
Cientiacuteficos quedestacaron por la realizacioacuten de investigaciones y descubrimientos muy relevantesen relacioacuten a la Termodinaacutemica fueron entre otros Boltzmann Carnot ClapeyronClausius Gibbs Helmholtz Hess Joule Kelvin Maxwellhellip
Sistema y medio ambiente Convenio de signos de
los intercambios energeacuteticos Condiciones estaacutendar
Pueden ocurrir intercambios demateria yo energiacutea entre sistema y medio ambiente pero eacutestos deben ser controlados
ldquoexperimentordquo
sistema
medio ambiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema
son positivos
Tanto el calor perdido
por el sistema como el
trabajo efectuado por
el sistema sobre su
entorno son negativos
El convenio de signos para los intercambios de energiacutea en forma de calor y trabajo entre sistema y medio ambiente es el siguiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema son positivos aumentan su energiacutea
Tanto el calor perdido por el sistema como el trabajo efectuado por el sistema sobre su entorno son negativos reducen la energiacutea del sistema
qgt0wgt0
qlt0wlt0
qgt0wgt0
qlt0wlt0
E
EL QUIacuteMICO ES EL SISTEMA y lo ve desde dentro
El FIacuteSICO lo ve desde fuera
El quiacutemico ve el sistema desde dentro como si EL fuese el sistema
Por ejemplo un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre ambas partes del universo
La Termodinaacutemica se relaciona con los estados de equilibrioUn estado de equilibrio es aqueacutel en el que las propiedades macroscoacutepicas del sistema temperatura densidad composicioacuten quiacutemica etc estaacuten bien definidas y no variacutean
La Termodinaacutemica permite discernir si es posible pasar de un estado de equilibrio a otro pero no la velocidad de dicha transformacioacuten
Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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 funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
FORMATObull ARIAL 12bull INTERLINIADO 15 williamrubergmailcom
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Trabajo mecaacutenico que se asocia con el movimiento de la frontera de un dispositivo cilindro-pistoacuten
El trabajo se puede expresar como
En termodinaacutemica se dice que un sistema se encuentra en estado de equilibrio termodinaacutemico si es incapaz de experimentar espontaacuteneamente alguacuten cambio de estado o proceso termodinaacutemico cuando estaacute sometido a unas determinadas condiciones de contorno (las condiciones que le imponen sus alrededores) Para ello ha de encontrarse simultaacuteneamente en equilibrio teacutermico equilibrio mecaacutenico y equilibrio quiacutemico
TRABAJO CASI EN EQUILIBRIO
CALOR
Es la forma de energiacutea que se transmite a traveacutes del liacutemite de un sistema que estaacute a una temperatura a otro sistema (o al medio exterior) a una temperatura mas baja debido a la diferencia de temperatura entre los dos sistemas El calor es una funcioacuten de trayectoria y su diferencial es inexacta luego
COMPARACION ENTRE CALOR Y TRABAJO
Calor y trabajo son ambos fenoacutemenos transitorios Los sistemas nunca tienen calor o trabajo pero cualquiera o ambos cruzan los liacutemites del sistema cuando eacuteste sufre un cambio de estadoAmbos calor y trabajo son fenoacutemenos de liacutemite Ambos se observan solamente en los liacutemites del sistema y ambos representan la energiacutea que cruza el liacutemite del sistema
Ambos calor y trabajo son funciones de trayectoria y diferenciales inexactasPor conveccioacuten +Q representa calor transferido al sistema y que por tanto es energiacutea antildeadida en eacutel y +W representa trabajo efectuado por el sistema y esto representa energiacutea que sale de eacutel
lustracioacuten para indicar diferencia entre calor y trabajo
La energiacutea cruza los liacutemites del sistema porque la temperatura de las paredes es mayor que la temperatura del gas El calor cruza los liacutemites del sistema la electricidad cruza los liacutemites del sistema El trabajo cruza los liacutemites del sistema
La transferencia de calor es el proceso de propagacioacuten del calor en distintos medios La parte de la fiacutesica que estudia estos procesos se llama a su vez Transferencia de calor o Transmisioacuten de calor La transferencia de calor se produce siempre que existe un gradiente teacutermico o cuando dos sistemas con diferentes temperaturas se ponen en contacto El proceso persiste hasta alcanzar el equilibrio teacutermico es decir hasta que se igualan las temperaturas Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos o regiones lo suficientemente proacuteximas la transferencia de calor no puede ser detenida solo puede hacerse maacutes lenta
TRANSFERENCIA DE CALOR
Una barra al rojo vivo transfiere calor al ambiente principalmente por radiacioacuten teacutermica y en menor medida por conveccioacuten
La termodinaacutemica es la ciencia que estudia la relacioacuten entre el calor y otras formas de energiacutea El calor es energiacutea en traacutensito Siempre que existe un gradiente de temperatura en un sistema o se ponen en contacto dos sistemas a diferente temperatura se transfiere energiacutea entre ellos Sabemos de esta transferencia no porque la veamos sino por los cambios que se producen en el o los sistemas La Termodinaacutemica basaacutendose en los estados de cada sistema desde un punto de vista macroscoacutepico es decir en funcioacuten de atributos tales como la presioacuten la temperatura y el volumen que se pueden medir determina si ha habido cambios en la energiacutea interna de los mismos En cumplimiento del Primer principio y descartada la interaccioacuten de trabajo con el exterior la variacioacuten de energiacutea interna solo puede ser debida a calor es decir a transferencia de energiacutea de un sistema al otro
Pero los paraacutemetros macroscoacutepicos solo se pueden medir o tiene valor su medida si es homogeacutenea en todo el sistema lo que solo ocurre si estaacuten en equilibrio La termodinaacutemica por tanto se ocupa de los estados de equilibrio y en funcioacuten de sus diferencias determina la cantidad de energiacutea transferida de un estado al otro pero sin considerar el mecanismo de flujo de calor ni la velocidad a la que se ha realizado la transferencia En un anaacutelisis termodinaacutemico se sabe la cantidad de energiacutea necesaria para pasar de un estado al otro pero no se conoce cuaacutento tiempo ha requerido la transferencia porque el tiempo no se incluye como variable en el anaacutelisis1 Esto es objetivo de otra rama de la ciencia que se conoce como Transferencia de calor
La Transferencia de calor como ciencia tiene como objetivo calcular La velocidad de transferencia de calor para una diferencia de temperatura especiacutefica y no es una misioacuten baladiacute ya que casi cualquier rama de la ingenieriacutea encuentra problemas de transferencia de calor que no podriacutean ser resueltos con uacutenicamente el razonamiento termodinaacutemico
Imagen tomada de una computacioacuten de conveccioacuten en el manto terrestre los colores rojizos representan aacutereas maacutes calientes y los maacutes azules las maacutes friacuteas
bullConduccioacuten Es la transferencia de calor que se produce a traveacutes de un medio material por contacto directo entre sus partiacuteculas cuando existe una diferencia de temperatura y en virtud del movimiento de sus micro partiacuteculas El medio puede ser soacutelido liacutequido o gaseoso aunque en liacutequidos y gases solo se da la conduccioacuten pura si se excluye la posibilidad de conveccioacuten La cantidad de calor que se transfiere por conduccioacuten viene dada por la ley de Fourier Esta ley afirma que la velocidad de conduccioacuten de calor a traveacutes de un cuerpo por unidad de seccioacuten transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo
La conduccioacuten de calor o transmisioacuten de calor por conduccioacuten es un proceso de transmisioacuten de calor basado en el contacto directo entre los cuerpos sin intercambio de materia por el que el calor fluye desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura que estaacute en contacto con el primero La propiedad fiacutesica de los materiales que determina su capacidad para conducir el calor es la conductividad teacutermica La propiedad inversa de la conductividad teacutermica es la resistividad teacutermica que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor
El segundo principio de la termodinaacutemica determina que el calor soacutelo puede fluir de un cuerpo maacutes caliente a uno maacutes friacuteo la ley de Fourier fija cuantitativamente la relacioacuten entre el flujo y las variaciones espacial y temporal de la temperatura
bullConveccioacuten La transmisioacuten de calor por conveccioacuten se compone de dos mecanismos simultaacuteneos El primero es la transferencia de calor por conduccioacuten debida al movimiento molecular a la que se superpone la transferencia de energiacutea por el movimiento de fracciones del fluido que se mueven accionadas por una fuerza externa que puede ser un gradiente de densidad (conveccioacuten natural) o una diferencia de presioacuten producida mecaacutenicamente (conveccioacuten forzada) o una combinacioacuten de ambas La cantidad de calor transferido por conveccioacuten se rige por la ley de enfriamiento de Newton
bullRadiacioacuten se puede atribuir a cambios en las configuraciones electroacutenicas de los aacutetomos o moleacuteculas constitutivas En ausencia de un medio existe una transferencia neta de calor por radiacioacuten entre dos superficies a diferentes temperaturas debido a que todas las superficies con temperatura finita emiten energiacutea en forma de ondas electromagneacuteticas El calor emitido por una superficie en la unidad de tiempo viene dado por la ley de Stefan-Boltzmann
Se denomina radiacioacuten teacutermica o radiacioacuten caloriacutefica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura Todos los cuerpos emiten radiacioacuten electromagneacutetica siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada En lo que respecta a la transferencia de calor la radiacioacuten relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 01microm a 1000microm abarcando por tanto la regioacuten infrarroja del espectro electromagneacuteticoLa materia en un estado condensado (soacutelido o liacutequido) emite un espectro de radiacioacuten continuo La frecuencia de onda emitida por radiacioacuten teacutermica es una funcioacuten de densidad de probabilidad que depende solo de la temperatura
bullLa radiacioacuten infrarroja de un radiador domeacutestico comuacuten o de un calefactor eleacutectrico es un ejemplo de radiacioacuten teacutermicabullLa luz emitida por una laacutempara incandescente La radiacioacuten teacutermica se produce cuando el calor del movimiento de partiacuteculas cargadas dentro de los aacutetomos se convierte en radiacioacuten electromagneacutetica
bullLa aplicacioacuten de la ley de Planck al Sol con una temperatura superficial de unos 6000 K nos lleva a que el 99 de la radiacioacuten emitida estaacute entre las
longitudes de onda 015 (microacutemetros o micras) y 4 micras y su maacuteximo dado por la ley de Wien ocurre a 0475 micras Como 1 Aring = 10-10 m = 10-
4micras resulta que el Sol emite en un rango de 1500 Aring hasta 40000 Aring y el maacuteximo ocurre a 4750 Aring La luz visible se extiende desde 4000 Aring a 7400 Aring La radiacioacuten ultravioleta u ondas cortas iriacutean desde los 1500 Aring a los 4000 Aring y la radiacioacuten infrarroja o radiacioacuten teacutermica u ondas largas desde las 074 micras a 4 micras
Tipos de radiaciones
bullradiacioacuten de radiobullradiacioacuten de microondasbullradiacioacuten infrarrojabullradiacioacuten visiblebullradiacioacuten ultravioletabullradiacioacuten Xbullradiacioacuten gamma (es la que emite maacutes energiacutea y la maacutes peligrosa)
Comemos alimentos
Para mantener nuestras funciones bioloacutegicas
Quemamos combustibles
Para producir energiacutea eleacutectricaPara calentar nuestras casasPara generar potencia en aviones trenes automoacuteviles
Usamos cubitos de hielo
Para enfriar bebidas
Usamos calor Para convertir masa cruda en pan horneado
Todos estos ejemplos nos indican que las reacciones quiacutemicas tienen algo en comuacuten
Las reacciones quiacutemicas implican cambios de energiacuteaLa combustioacuten de la gasolina libera energiacutea
La separacioacuten del agua en hidroacutegeno y oxiacutegeno requiere energiacutea
El estudio de la energiacutea y sus transformaciones se
conoce como TERMO DINAacuteMICAThermeldquocalorrdquo
DynamisldquoPotenciardquo
La invencioacuten del termoacutemetro se atribuye a Galileo aunque el termoacutemetro sellado no aparecioacute hasta 1650
Los oriacutegenes de la Termodinaacutemica como ciencia podriacuteanestablecerse en la eacutepoca de la invencioacuten del termoacutemetro quese atribuye a Galileo En reacciones que se desarrollan bajo condiciones controladas la medicioacuten de las variaciones de temperatura permite deducir los intercambios de calor (calores de reaccioacuten)
Termoacutemetro de cristal basado en el principio fiacutesico de que la densidad de un liacutequido cambia seguacuten la temperatura descubierto por Galileo Galilei (1564-1642) En funcioacuten de los cambios de temperatura las bolas de cristal que se encuentran en el interior del termoacutemetro se desplazan hacia arriba o abajo generandose dos zonas una en la parte superior y otra en la parte inferiorCada bola lleva una placa grabada con la temperatura de correspondencia con la densidad del liacutequidoLa temperatura ambiente es mostrada por la bola mas baja del conjunto de bolas que se encuentra en la zona superior del termoacutemetroRango de 18 a 24ordmC (de 2 en 2 grados)
Los termoacutemetros modernos de alcohol y mercurio fueron inventados por el fiacutesico alemaacuten Gabriel Fahrenheit quien tambieacuten propuso la primera escala de temperaturas ampliamente adoptada que lleva su nombre Punto de fusioacuten del hielo 32ordmF
Punto de ebullicioacuten del agua 212ordmF
212-32=180(La magnitud del grado Fahrenheit es menor que la del grado centiacutegrado)
La escala centiacutegrada o Celsius fue disentildeada por el astroacutenomo sueco
Es utilizada en la mayoriacutea de los paiacutesesEl punto de congelacioacuten es 0 grados (0 ordmC) y el punto de ebullicioacuten es de 100 ordmC
Anders Celsius
Por uacuteltimo la escala de temperaturas absolutas o escala Kelvin tiene su cero a una temperatura de ndash27315ordmC 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 expresioacutenTK = TC + 27315
Este aacuterea de estudio se desarrolloacute mucho con la revolucioacuten industrial
Interesaba conocer las relaciones entre calor trabajo y el contenido energeacutetico de los combustibles
Maximizar el rendimiento de las maacutequinas de vapor
Cientiacuteficos quedestacaron por la realizacioacuten de investigaciones y descubrimientos muy relevantesen relacioacuten a la Termodinaacutemica fueron entre otros Boltzmann Carnot ClapeyronClausius Gibbs Helmholtz Hess Joule Kelvin Maxwellhellip
Sistema y medio ambiente Convenio de signos de
los intercambios energeacuteticos Condiciones estaacutendar
Pueden ocurrir intercambios demateria yo energiacutea entre sistema y medio ambiente pero eacutestos deben ser controlados
ldquoexperimentordquo
sistema
medio ambiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema
son positivos
Tanto el calor perdido
por el sistema como el
trabajo efectuado por
el sistema sobre su
entorno son negativos
El convenio de signos para los intercambios de energiacutea en forma de calor y trabajo entre sistema y medio ambiente es el siguiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema son positivos aumentan su energiacutea
Tanto el calor perdido por el sistema como el trabajo efectuado por el sistema sobre su entorno son negativos reducen la energiacutea del sistema
qgt0wgt0
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E
EL QUIacuteMICO ES EL SISTEMA y lo ve desde dentro
El FIacuteSICO lo ve desde fuera
El quiacutemico ve el sistema desde dentro como si EL fuese el sistema
Por ejemplo un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre ambas partes del universo
La Termodinaacutemica se relaciona con los estados de equilibrioUn estado de equilibrio es aqueacutel en el que las propiedades macroscoacutepicas del sistema temperatura densidad composicioacuten quiacutemica etc estaacuten bien definidas y no variacutean
La Termodinaacutemica permite discernir si es posible pasar de un estado de equilibrio a otro pero no la velocidad de dicha transformacioacuten
Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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
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Una funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
FORMATObull ARIAL 12bull INTERLINIADO 15 williamrubergmailcom
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En termodinaacutemica se dice que un sistema se encuentra en estado de equilibrio termodinaacutemico si es incapaz de experimentar espontaacuteneamente alguacuten cambio de estado o proceso termodinaacutemico cuando estaacute sometido a unas determinadas condiciones de contorno (las condiciones que le imponen sus alrededores) Para ello ha de encontrarse simultaacuteneamente en equilibrio teacutermico equilibrio mecaacutenico y equilibrio quiacutemico
TRABAJO CASI EN EQUILIBRIO
CALOR
Es la forma de energiacutea que se transmite a traveacutes del liacutemite de un sistema que estaacute a una temperatura a otro sistema (o al medio exterior) a una temperatura mas baja debido a la diferencia de temperatura entre los dos sistemas El calor es una funcioacuten de trayectoria y su diferencial es inexacta luego
COMPARACION ENTRE CALOR Y TRABAJO
Calor y trabajo son ambos fenoacutemenos transitorios Los sistemas nunca tienen calor o trabajo pero cualquiera o ambos cruzan los liacutemites del sistema cuando eacuteste sufre un cambio de estadoAmbos calor y trabajo son fenoacutemenos de liacutemite Ambos se observan solamente en los liacutemites del sistema y ambos representan la energiacutea que cruza el liacutemite del sistema
Ambos calor y trabajo son funciones de trayectoria y diferenciales inexactasPor conveccioacuten +Q representa calor transferido al sistema y que por tanto es energiacutea antildeadida en eacutel y +W representa trabajo efectuado por el sistema y esto representa energiacutea que sale de eacutel
lustracioacuten para indicar diferencia entre calor y trabajo
La energiacutea cruza los liacutemites del sistema porque la temperatura de las paredes es mayor que la temperatura del gas El calor cruza los liacutemites del sistema la electricidad cruza los liacutemites del sistema El trabajo cruza los liacutemites del sistema
La transferencia de calor es el proceso de propagacioacuten del calor en distintos medios La parte de la fiacutesica que estudia estos procesos se llama a su vez Transferencia de calor o Transmisioacuten de calor La transferencia de calor se produce siempre que existe un gradiente teacutermico o cuando dos sistemas con diferentes temperaturas se ponen en contacto El proceso persiste hasta alcanzar el equilibrio teacutermico es decir hasta que se igualan las temperaturas Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos o regiones lo suficientemente proacuteximas la transferencia de calor no puede ser detenida solo puede hacerse maacutes lenta
TRANSFERENCIA DE CALOR
Una barra al rojo vivo transfiere calor al ambiente principalmente por radiacioacuten teacutermica y en menor medida por conveccioacuten
La termodinaacutemica es la ciencia que estudia la relacioacuten entre el calor y otras formas de energiacutea El calor es energiacutea en traacutensito Siempre que existe un gradiente de temperatura en un sistema o se ponen en contacto dos sistemas a diferente temperatura se transfiere energiacutea entre ellos Sabemos de esta transferencia no porque la veamos sino por los cambios que se producen en el o los sistemas La Termodinaacutemica basaacutendose en los estados de cada sistema desde un punto de vista macroscoacutepico es decir en funcioacuten de atributos tales como la presioacuten la temperatura y el volumen que se pueden medir determina si ha habido cambios en la energiacutea interna de los mismos En cumplimiento del Primer principio y descartada la interaccioacuten de trabajo con el exterior la variacioacuten de energiacutea interna solo puede ser debida a calor es decir a transferencia de energiacutea de un sistema al otro
Pero los paraacutemetros macroscoacutepicos solo se pueden medir o tiene valor su medida si es homogeacutenea en todo el sistema lo que solo ocurre si estaacuten en equilibrio La termodinaacutemica por tanto se ocupa de los estados de equilibrio y en funcioacuten de sus diferencias determina la cantidad de energiacutea transferida de un estado al otro pero sin considerar el mecanismo de flujo de calor ni la velocidad a la que se ha realizado la transferencia En un anaacutelisis termodinaacutemico se sabe la cantidad de energiacutea necesaria para pasar de un estado al otro pero no se conoce cuaacutento tiempo ha requerido la transferencia porque el tiempo no se incluye como variable en el anaacutelisis1 Esto es objetivo de otra rama de la ciencia que se conoce como Transferencia de calor
La Transferencia de calor como ciencia tiene como objetivo calcular La velocidad de transferencia de calor para una diferencia de temperatura especiacutefica y no es una misioacuten baladiacute ya que casi cualquier rama de la ingenieriacutea encuentra problemas de transferencia de calor que no podriacutean ser resueltos con uacutenicamente el razonamiento termodinaacutemico
Imagen tomada de una computacioacuten de conveccioacuten en el manto terrestre los colores rojizos representan aacutereas maacutes calientes y los maacutes azules las maacutes friacuteas
bullConduccioacuten Es la transferencia de calor que se produce a traveacutes de un medio material por contacto directo entre sus partiacuteculas cuando existe una diferencia de temperatura y en virtud del movimiento de sus micro partiacuteculas El medio puede ser soacutelido liacutequido o gaseoso aunque en liacutequidos y gases solo se da la conduccioacuten pura si se excluye la posibilidad de conveccioacuten La cantidad de calor que se transfiere por conduccioacuten viene dada por la ley de Fourier Esta ley afirma que la velocidad de conduccioacuten de calor a traveacutes de un cuerpo por unidad de seccioacuten transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo
La conduccioacuten de calor o transmisioacuten de calor por conduccioacuten es un proceso de transmisioacuten de calor basado en el contacto directo entre los cuerpos sin intercambio de materia por el que el calor fluye desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura que estaacute en contacto con el primero La propiedad fiacutesica de los materiales que determina su capacidad para conducir el calor es la conductividad teacutermica La propiedad inversa de la conductividad teacutermica es la resistividad teacutermica que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor
El segundo principio de la termodinaacutemica determina que el calor soacutelo puede fluir de un cuerpo maacutes caliente a uno maacutes friacuteo la ley de Fourier fija cuantitativamente la relacioacuten entre el flujo y las variaciones espacial y temporal de la temperatura
bullConveccioacuten La transmisioacuten de calor por conveccioacuten se compone de dos mecanismos simultaacuteneos El primero es la transferencia de calor por conduccioacuten debida al movimiento molecular a la que se superpone la transferencia de energiacutea por el movimiento de fracciones del fluido que se mueven accionadas por una fuerza externa que puede ser un gradiente de densidad (conveccioacuten natural) o una diferencia de presioacuten producida mecaacutenicamente (conveccioacuten forzada) o una combinacioacuten de ambas La cantidad de calor transferido por conveccioacuten se rige por la ley de enfriamiento de Newton
bullRadiacioacuten se puede atribuir a cambios en las configuraciones electroacutenicas de los aacutetomos o moleacuteculas constitutivas En ausencia de un medio existe una transferencia neta de calor por radiacioacuten entre dos superficies a diferentes temperaturas debido a que todas las superficies con temperatura finita emiten energiacutea en forma de ondas electromagneacuteticas El calor emitido por una superficie en la unidad de tiempo viene dado por la ley de Stefan-Boltzmann
Se denomina radiacioacuten teacutermica o radiacioacuten caloriacutefica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura Todos los cuerpos emiten radiacioacuten electromagneacutetica siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada En lo que respecta a la transferencia de calor la radiacioacuten relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 01microm a 1000microm abarcando por tanto la regioacuten infrarroja del espectro electromagneacuteticoLa materia en un estado condensado (soacutelido o liacutequido) emite un espectro de radiacioacuten continuo La frecuencia de onda emitida por radiacioacuten teacutermica es una funcioacuten de densidad de probabilidad que depende solo de la temperatura
bullLa radiacioacuten infrarroja de un radiador domeacutestico comuacuten o de un calefactor eleacutectrico es un ejemplo de radiacioacuten teacutermicabullLa luz emitida por una laacutempara incandescente La radiacioacuten teacutermica se produce cuando el calor del movimiento de partiacuteculas cargadas dentro de los aacutetomos se convierte en radiacioacuten electromagneacutetica
bullLa aplicacioacuten de la ley de Planck al Sol con una temperatura superficial de unos 6000 K nos lleva a que el 99 de la radiacioacuten emitida estaacute entre las
longitudes de onda 015 (microacutemetros o micras) y 4 micras y su maacuteximo dado por la ley de Wien ocurre a 0475 micras Como 1 Aring = 10-10 m = 10-
4micras resulta que el Sol emite en un rango de 1500 Aring hasta 40000 Aring y el maacuteximo ocurre a 4750 Aring La luz visible se extiende desde 4000 Aring a 7400 Aring La radiacioacuten ultravioleta u ondas cortas iriacutean desde los 1500 Aring a los 4000 Aring y la radiacioacuten infrarroja o radiacioacuten teacutermica u ondas largas desde las 074 micras a 4 micras
Tipos de radiaciones
bullradiacioacuten de radiobullradiacioacuten de microondasbullradiacioacuten infrarrojabullradiacioacuten visiblebullradiacioacuten ultravioletabullradiacioacuten Xbullradiacioacuten gamma (es la que emite maacutes energiacutea y la maacutes peligrosa)
Comemos alimentos
Para mantener nuestras funciones bioloacutegicas
Quemamos combustibles
Para producir energiacutea eleacutectricaPara calentar nuestras casasPara generar potencia en aviones trenes automoacuteviles
Usamos cubitos de hielo
Para enfriar bebidas
Usamos calor Para convertir masa cruda en pan horneado
Todos estos ejemplos nos indican que las reacciones quiacutemicas tienen algo en comuacuten
Las reacciones quiacutemicas implican cambios de energiacuteaLa combustioacuten de la gasolina libera energiacutea
La separacioacuten del agua en hidroacutegeno y oxiacutegeno requiere energiacutea
El estudio de la energiacutea y sus transformaciones se
conoce como TERMO DINAacuteMICAThermeldquocalorrdquo
DynamisldquoPotenciardquo
La invencioacuten del termoacutemetro se atribuye a Galileo aunque el termoacutemetro sellado no aparecioacute hasta 1650
Los oriacutegenes de la Termodinaacutemica como ciencia podriacuteanestablecerse en la eacutepoca de la invencioacuten del termoacutemetro quese atribuye a Galileo En reacciones que se desarrollan bajo condiciones controladas la medicioacuten de las variaciones de temperatura permite deducir los intercambios de calor (calores de reaccioacuten)
Termoacutemetro de cristal basado en el principio fiacutesico de que la densidad de un liacutequido cambia seguacuten la temperatura descubierto por Galileo Galilei (1564-1642) En funcioacuten de los cambios de temperatura las bolas de cristal que se encuentran en el interior del termoacutemetro se desplazan hacia arriba o abajo generandose dos zonas una en la parte superior y otra en la parte inferiorCada bola lleva una placa grabada con la temperatura de correspondencia con la densidad del liacutequidoLa temperatura ambiente es mostrada por la bola mas baja del conjunto de bolas que se encuentra en la zona superior del termoacutemetroRango de 18 a 24ordmC (de 2 en 2 grados)
Los termoacutemetros modernos de alcohol y mercurio fueron inventados por el fiacutesico alemaacuten Gabriel Fahrenheit quien tambieacuten propuso la primera escala de temperaturas ampliamente adoptada que lleva su nombre Punto de fusioacuten del hielo 32ordmF
Punto de ebullicioacuten del agua 212ordmF
212-32=180(La magnitud del grado Fahrenheit es menor que la del grado centiacutegrado)
La escala centiacutegrada o Celsius fue disentildeada por el astroacutenomo sueco
Es utilizada en la mayoriacutea de los paiacutesesEl punto de congelacioacuten es 0 grados (0 ordmC) y el punto de ebullicioacuten es de 100 ordmC
Anders Celsius
Por uacuteltimo la escala de temperaturas absolutas o escala Kelvin tiene su cero a una temperatura de ndash27315ordmC 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 expresioacutenTK = TC + 27315
Este aacuterea de estudio se desarrolloacute mucho con la revolucioacuten industrial
Interesaba conocer las relaciones entre calor trabajo y el contenido energeacutetico de los combustibles
Maximizar el rendimiento de las maacutequinas de vapor
Cientiacuteficos quedestacaron por la realizacioacuten de investigaciones y descubrimientos muy relevantesen relacioacuten a la Termodinaacutemica fueron entre otros Boltzmann Carnot ClapeyronClausius Gibbs Helmholtz Hess Joule Kelvin Maxwellhellip
Sistema y medio ambiente Convenio de signos de
los intercambios energeacuteticos Condiciones estaacutendar
Pueden ocurrir intercambios demateria yo energiacutea entre sistema y medio ambiente pero eacutestos deben ser controlados
ldquoexperimentordquo
sistema
medio ambiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema
son positivos
Tanto el calor perdido
por el sistema como el
trabajo efectuado por
el sistema sobre su
entorno son negativos
El convenio de signos para los intercambios de energiacutea en forma de calor y trabajo entre sistema y medio ambiente es el siguiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema son positivos aumentan su energiacutea
Tanto el calor perdido por el sistema como el trabajo efectuado por el sistema sobre su entorno son negativos reducen la energiacutea del sistema
qgt0wgt0
qlt0wlt0
qgt0wgt0
qlt0wlt0
E
EL QUIacuteMICO ES EL SISTEMA y lo ve desde dentro
El FIacuteSICO lo ve desde fuera
El quiacutemico ve el sistema desde dentro como si EL fuese el sistema
Por ejemplo un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre ambas partes del universo
La Termodinaacutemica se relaciona con los estados de equilibrioUn estado de equilibrio es aqueacutel en el que las propiedades macroscoacutepicas del sistema temperatura densidad composicioacuten quiacutemica etc estaacuten bien definidas y no variacutean
La Termodinaacutemica permite discernir si es posible pasar de un estado de equilibrio a otro pero no la velocidad de dicha transformacioacuten
Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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 funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
FORMATObull ARIAL 12bull INTERLINIADO 15 williamrubergmailcom
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CALOR
Es la forma de energiacutea que se transmite a traveacutes del liacutemite de un sistema que estaacute a una temperatura a otro sistema (o al medio exterior) a una temperatura mas baja debido a la diferencia de temperatura entre los dos sistemas El calor es una funcioacuten de trayectoria y su diferencial es inexacta luego
COMPARACION ENTRE CALOR Y TRABAJO
Calor y trabajo son ambos fenoacutemenos transitorios Los sistemas nunca tienen calor o trabajo pero cualquiera o ambos cruzan los liacutemites del sistema cuando eacuteste sufre un cambio de estadoAmbos calor y trabajo son fenoacutemenos de liacutemite Ambos se observan solamente en los liacutemites del sistema y ambos representan la energiacutea que cruza el liacutemite del sistema
Ambos calor y trabajo son funciones de trayectoria y diferenciales inexactasPor conveccioacuten +Q representa calor transferido al sistema y que por tanto es energiacutea antildeadida en eacutel y +W representa trabajo efectuado por el sistema y esto representa energiacutea que sale de eacutel
lustracioacuten para indicar diferencia entre calor y trabajo
La energiacutea cruza los liacutemites del sistema porque la temperatura de las paredes es mayor que la temperatura del gas El calor cruza los liacutemites del sistema la electricidad cruza los liacutemites del sistema El trabajo cruza los liacutemites del sistema
La transferencia de calor es el proceso de propagacioacuten del calor en distintos medios La parte de la fiacutesica que estudia estos procesos se llama a su vez Transferencia de calor o Transmisioacuten de calor La transferencia de calor se produce siempre que existe un gradiente teacutermico o cuando dos sistemas con diferentes temperaturas se ponen en contacto El proceso persiste hasta alcanzar el equilibrio teacutermico es decir hasta que se igualan las temperaturas Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos o regiones lo suficientemente proacuteximas la transferencia de calor no puede ser detenida solo puede hacerse maacutes lenta
TRANSFERENCIA DE CALOR
Una barra al rojo vivo transfiere calor al ambiente principalmente por radiacioacuten teacutermica y en menor medida por conveccioacuten
La termodinaacutemica es la ciencia que estudia la relacioacuten entre el calor y otras formas de energiacutea El calor es energiacutea en traacutensito Siempre que existe un gradiente de temperatura en un sistema o se ponen en contacto dos sistemas a diferente temperatura se transfiere energiacutea entre ellos Sabemos de esta transferencia no porque la veamos sino por los cambios que se producen en el o los sistemas La Termodinaacutemica basaacutendose en los estados de cada sistema desde un punto de vista macroscoacutepico es decir en funcioacuten de atributos tales como la presioacuten la temperatura y el volumen que se pueden medir determina si ha habido cambios en la energiacutea interna de los mismos En cumplimiento del Primer principio y descartada la interaccioacuten de trabajo con el exterior la variacioacuten de energiacutea interna solo puede ser debida a calor es decir a transferencia de energiacutea de un sistema al otro
Pero los paraacutemetros macroscoacutepicos solo se pueden medir o tiene valor su medida si es homogeacutenea en todo el sistema lo que solo ocurre si estaacuten en equilibrio La termodinaacutemica por tanto se ocupa de los estados de equilibrio y en funcioacuten de sus diferencias determina la cantidad de energiacutea transferida de un estado al otro pero sin considerar el mecanismo de flujo de calor ni la velocidad a la que se ha realizado la transferencia En un anaacutelisis termodinaacutemico se sabe la cantidad de energiacutea necesaria para pasar de un estado al otro pero no se conoce cuaacutento tiempo ha requerido la transferencia porque el tiempo no se incluye como variable en el anaacutelisis1 Esto es objetivo de otra rama de la ciencia que se conoce como Transferencia de calor
La Transferencia de calor como ciencia tiene como objetivo calcular La velocidad de transferencia de calor para una diferencia de temperatura especiacutefica y no es una misioacuten baladiacute ya que casi cualquier rama de la ingenieriacutea encuentra problemas de transferencia de calor que no podriacutean ser resueltos con uacutenicamente el razonamiento termodinaacutemico
Imagen tomada de una computacioacuten de conveccioacuten en el manto terrestre los colores rojizos representan aacutereas maacutes calientes y los maacutes azules las maacutes friacuteas
bullConduccioacuten Es la transferencia de calor que se produce a traveacutes de un medio material por contacto directo entre sus partiacuteculas cuando existe una diferencia de temperatura y en virtud del movimiento de sus micro partiacuteculas El medio puede ser soacutelido liacutequido o gaseoso aunque en liacutequidos y gases solo se da la conduccioacuten pura si se excluye la posibilidad de conveccioacuten La cantidad de calor que se transfiere por conduccioacuten viene dada por la ley de Fourier Esta ley afirma que la velocidad de conduccioacuten de calor a traveacutes de un cuerpo por unidad de seccioacuten transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo
La conduccioacuten de calor o transmisioacuten de calor por conduccioacuten es un proceso de transmisioacuten de calor basado en el contacto directo entre los cuerpos sin intercambio de materia por el que el calor fluye desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura que estaacute en contacto con el primero La propiedad fiacutesica de los materiales que determina su capacidad para conducir el calor es la conductividad teacutermica La propiedad inversa de la conductividad teacutermica es la resistividad teacutermica que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor
El segundo principio de la termodinaacutemica determina que el calor soacutelo puede fluir de un cuerpo maacutes caliente a uno maacutes friacuteo la ley de Fourier fija cuantitativamente la relacioacuten entre el flujo y las variaciones espacial y temporal de la temperatura
bullConveccioacuten La transmisioacuten de calor por conveccioacuten se compone de dos mecanismos simultaacuteneos El primero es la transferencia de calor por conduccioacuten debida al movimiento molecular a la que se superpone la transferencia de energiacutea por el movimiento de fracciones del fluido que se mueven accionadas por una fuerza externa que puede ser un gradiente de densidad (conveccioacuten natural) o una diferencia de presioacuten producida mecaacutenicamente (conveccioacuten forzada) o una combinacioacuten de ambas La cantidad de calor transferido por conveccioacuten se rige por la ley de enfriamiento de Newton
bullRadiacioacuten se puede atribuir a cambios en las configuraciones electroacutenicas de los aacutetomos o moleacuteculas constitutivas En ausencia de un medio existe una transferencia neta de calor por radiacioacuten entre dos superficies a diferentes temperaturas debido a que todas las superficies con temperatura finita emiten energiacutea en forma de ondas electromagneacuteticas El calor emitido por una superficie en la unidad de tiempo viene dado por la ley de Stefan-Boltzmann
Se denomina radiacioacuten teacutermica o radiacioacuten caloriacutefica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura Todos los cuerpos emiten radiacioacuten electromagneacutetica siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada En lo que respecta a la transferencia de calor la radiacioacuten relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 01microm a 1000microm abarcando por tanto la regioacuten infrarroja del espectro electromagneacuteticoLa materia en un estado condensado (soacutelido o liacutequido) emite un espectro de radiacioacuten continuo La frecuencia de onda emitida por radiacioacuten teacutermica es una funcioacuten de densidad de probabilidad que depende solo de la temperatura
bullLa radiacioacuten infrarroja de un radiador domeacutestico comuacuten o de un calefactor eleacutectrico es un ejemplo de radiacioacuten teacutermicabullLa luz emitida por una laacutempara incandescente La radiacioacuten teacutermica se produce cuando el calor del movimiento de partiacuteculas cargadas dentro de los aacutetomos se convierte en radiacioacuten electromagneacutetica
bullLa aplicacioacuten de la ley de Planck al Sol con una temperatura superficial de unos 6000 K nos lleva a que el 99 de la radiacioacuten emitida estaacute entre las
longitudes de onda 015 (microacutemetros o micras) y 4 micras y su maacuteximo dado por la ley de Wien ocurre a 0475 micras Como 1 Aring = 10-10 m = 10-
4micras resulta que el Sol emite en un rango de 1500 Aring hasta 40000 Aring y el maacuteximo ocurre a 4750 Aring La luz visible se extiende desde 4000 Aring a 7400 Aring La radiacioacuten ultravioleta u ondas cortas iriacutean desde los 1500 Aring a los 4000 Aring y la radiacioacuten infrarroja o radiacioacuten teacutermica u ondas largas desde las 074 micras a 4 micras
Tipos de radiaciones
bullradiacioacuten de radiobullradiacioacuten de microondasbullradiacioacuten infrarrojabullradiacioacuten visiblebullradiacioacuten ultravioletabullradiacioacuten Xbullradiacioacuten gamma (es la que emite maacutes energiacutea y la maacutes peligrosa)
Comemos alimentos
Para mantener nuestras funciones bioloacutegicas
Quemamos combustibles
Para producir energiacutea eleacutectricaPara calentar nuestras casasPara generar potencia en aviones trenes automoacuteviles
Usamos cubitos de hielo
Para enfriar bebidas
Usamos calor Para convertir masa cruda en pan horneado
Todos estos ejemplos nos indican que las reacciones quiacutemicas tienen algo en comuacuten
Las reacciones quiacutemicas implican cambios de energiacuteaLa combustioacuten de la gasolina libera energiacutea
La separacioacuten del agua en hidroacutegeno y oxiacutegeno requiere energiacutea
El estudio de la energiacutea y sus transformaciones se
conoce como TERMO DINAacuteMICAThermeldquocalorrdquo
DynamisldquoPotenciardquo
La invencioacuten del termoacutemetro se atribuye a Galileo aunque el termoacutemetro sellado no aparecioacute hasta 1650
Los oriacutegenes de la Termodinaacutemica como ciencia podriacuteanestablecerse en la eacutepoca de la invencioacuten del termoacutemetro quese atribuye a Galileo En reacciones que se desarrollan bajo condiciones controladas la medicioacuten de las variaciones de temperatura permite deducir los intercambios de calor (calores de reaccioacuten)
Termoacutemetro de cristal basado en el principio fiacutesico de que la densidad de un liacutequido cambia seguacuten la temperatura descubierto por Galileo Galilei (1564-1642) En funcioacuten de los cambios de temperatura las bolas de cristal que se encuentran en el interior del termoacutemetro se desplazan hacia arriba o abajo generandose dos zonas una en la parte superior y otra en la parte inferiorCada bola lleva una placa grabada con la temperatura de correspondencia con la densidad del liacutequidoLa temperatura ambiente es mostrada por la bola mas baja del conjunto de bolas que se encuentra en la zona superior del termoacutemetroRango de 18 a 24ordmC (de 2 en 2 grados)
Los termoacutemetros modernos de alcohol y mercurio fueron inventados por el fiacutesico alemaacuten Gabriel Fahrenheit quien tambieacuten propuso la primera escala de temperaturas ampliamente adoptada que lleva su nombre Punto de fusioacuten del hielo 32ordmF
Punto de ebullicioacuten del agua 212ordmF
212-32=180(La magnitud del grado Fahrenheit es menor que la del grado centiacutegrado)
La escala centiacutegrada o Celsius fue disentildeada por el astroacutenomo sueco
Es utilizada en la mayoriacutea de los paiacutesesEl punto de congelacioacuten es 0 grados (0 ordmC) y el punto de ebullicioacuten es de 100 ordmC
Anders Celsius
Por uacuteltimo la escala de temperaturas absolutas o escala Kelvin tiene su cero a una temperatura de ndash27315ordmC 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 expresioacutenTK = TC + 27315
Este aacuterea de estudio se desarrolloacute mucho con la revolucioacuten industrial
Interesaba conocer las relaciones entre calor trabajo y el contenido energeacutetico de los combustibles
Maximizar el rendimiento de las maacutequinas de vapor
Cientiacuteficos quedestacaron por la realizacioacuten de investigaciones y descubrimientos muy relevantesen relacioacuten a la Termodinaacutemica fueron entre otros Boltzmann Carnot ClapeyronClausius Gibbs Helmholtz Hess Joule Kelvin Maxwellhellip
Sistema y medio ambiente Convenio de signos de
los intercambios energeacuteticos Condiciones estaacutendar
Pueden ocurrir intercambios demateria yo energiacutea entre sistema y medio ambiente pero eacutestos deben ser controlados
ldquoexperimentordquo
sistema
medio ambiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema
son positivos
Tanto el calor perdido
por el sistema como el
trabajo efectuado por
el sistema sobre su
entorno son negativos
El convenio de signos para los intercambios de energiacutea en forma de calor y trabajo entre sistema y medio ambiente es el siguiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema son positivos aumentan su energiacutea
Tanto el calor perdido por el sistema como el trabajo efectuado por el sistema sobre su entorno son negativos reducen la energiacutea del sistema
qgt0wgt0
qlt0wlt0
qgt0wgt0
qlt0wlt0
E
EL QUIacuteMICO ES EL SISTEMA y lo ve desde dentro
El FIacuteSICO lo ve desde fuera
El quiacutemico ve el sistema desde dentro como si EL fuese el sistema
Por ejemplo un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre ambas partes del universo
La Termodinaacutemica se relaciona con los estados de equilibrioUn estado de equilibrio es aqueacutel en el que las propiedades macroscoacutepicas del sistema temperatura densidad composicioacuten quiacutemica etc estaacuten bien definidas y no variacutean
La Termodinaacutemica permite discernir si es posible pasar de un estado de equilibrio a otro pero no la velocidad de dicha transformacioacuten
Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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 funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
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COMPARACION ENTRE CALOR Y TRABAJO
Calor y trabajo son ambos fenoacutemenos transitorios Los sistemas nunca tienen calor o trabajo pero cualquiera o ambos cruzan los liacutemites del sistema cuando eacuteste sufre un cambio de estadoAmbos calor y trabajo son fenoacutemenos de liacutemite Ambos se observan solamente en los liacutemites del sistema y ambos representan la energiacutea que cruza el liacutemite del sistema
Ambos calor y trabajo son funciones de trayectoria y diferenciales inexactasPor conveccioacuten +Q representa calor transferido al sistema y que por tanto es energiacutea antildeadida en eacutel y +W representa trabajo efectuado por el sistema y esto representa energiacutea que sale de eacutel
lustracioacuten para indicar diferencia entre calor y trabajo
La energiacutea cruza los liacutemites del sistema porque la temperatura de las paredes es mayor que la temperatura del gas El calor cruza los liacutemites del sistema la electricidad cruza los liacutemites del sistema El trabajo cruza los liacutemites del sistema
La transferencia de calor es el proceso de propagacioacuten del calor en distintos medios La parte de la fiacutesica que estudia estos procesos se llama a su vez Transferencia de calor o Transmisioacuten de calor La transferencia de calor se produce siempre que existe un gradiente teacutermico o cuando dos sistemas con diferentes temperaturas se ponen en contacto El proceso persiste hasta alcanzar el equilibrio teacutermico es decir hasta que se igualan las temperaturas Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos o regiones lo suficientemente proacuteximas la transferencia de calor no puede ser detenida solo puede hacerse maacutes lenta
TRANSFERENCIA DE CALOR
Una barra al rojo vivo transfiere calor al ambiente principalmente por radiacioacuten teacutermica y en menor medida por conveccioacuten
La termodinaacutemica es la ciencia que estudia la relacioacuten entre el calor y otras formas de energiacutea El calor es energiacutea en traacutensito Siempre que existe un gradiente de temperatura en un sistema o se ponen en contacto dos sistemas a diferente temperatura se transfiere energiacutea entre ellos Sabemos de esta transferencia no porque la veamos sino por los cambios que se producen en el o los sistemas La Termodinaacutemica basaacutendose en los estados de cada sistema desde un punto de vista macroscoacutepico es decir en funcioacuten de atributos tales como la presioacuten la temperatura y el volumen que se pueden medir determina si ha habido cambios en la energiacutea interna de los mismos En cumplimiento del Primer principio y descartada la interaccioacuten de trabajo con el exterior la variacioacuten de energiacutea interna solo puede ser debida a calor es decir a transferencia de energiacutea de un sistema al otro
Pero los paraacutemetros macroscoacutepicos solo se pueden medir o tiene valor su medida si es homogeacutenea en todo el sistema lo que solo ocurre si estaacuten en equilibrio La termodinaacutemica por tanto se ocupa de los estados de equilibrio y en funcioacuten de sus diferencias determina la cantidad de energiacutea transferida de un estado al otro pero sin considerar el mecanismo de flujo de calor ni la velocidad a la que se ha realizado la transferencia En un anaacutelisis termodinaacutemico se sabe la cantidad de energiacutea necesaria para pasar de un estado al otro pero no se conoce cuaacutento tiempo ha requerido la transferencia porque el tiempo no se incluye como variable en el anaacutelisis1 Esto es objetivo de otra rama de la ciencia que se conoce como Transferencia de calor
La Transferencia de calor como ciencia tiene como objetivo calcular La velocidad de transferencia de calor para una diferencia de temperatura especiacutefica y no es una misioacuten baladiacute ya que casi cualquier rama de la ingenieriacutea encuentra problemas de transferencia de calor que no podriacutean ser resueltos con uacutenicamente el razonamiento termodinaacutemico
Imagen tomada de una computacioacuten de conveccioacuten en el manto terrestre los colores rojizos representan aacutereas maacutes calientes y los maacutes azules las maacutes friacuteas
bullConduccioacuten Es la transferencia de calor que se produce a traveacutes de un medio material por contacto directo entre sus partiacuteculas cuando existe una diferencia de temperatura y en virtud del movimiento de sus micro partiacuteculas El medio puede ser soacutelido liacutequido o gaseoso aunque en liacutequidos y gases solo se da la conduccioacuten pura si se excluye la posibilidad de conveccioacuten La cantidad de calor que se transfiere por conduccioacuten viene dada por la ley de Fourier Esta ley afirma que la velocidad de conduccioacuten de calor a traveacutes de un cuerpo por unidad de seccioacuten transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo
La conduccioacuten de calor o transmisioacuten de calor por conduccioacuten es un proceso de transmisioacuten de calor basado en el contacto directo entre los cuerpos sin intercambio de materia por el que el calor fluye desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura que estaacute en contacto con el primero La propiedad fiacutesica de los materiales que determina su capacidad para conducir el calor es la conductividad teacutermica La propiedad inversa de la conductividad teacutermica es la resistividad teacutermica que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor
El segundo principio de la termodinaacutemica determina que el calor soacutelo puede fluir de un cuerpo maacutes caliente a uno maacutes friacuteo la ley de Fourier fija cuantitativamente la relacioacuten entre el flujo y las variaciones espacial y temporal de la temperatura
bullConveccioacuten La transmisioacuten de calor por conveccioacuten se compone de dos mecanismos simultaacuteneos El primero es la transferencia de calor por conduccioacuten debida al movimiento molecular a la que se superpone la transferencia de energiacutea por el movimiento de fracciones del fluido que se mueven accionadas por una fuerza externa que puede ser un gradiente de densidad (conveccioacuten natural) o una diferencia de presioacuten producida mecaacutenicamente (conveccioacuten forzada) o una combinacioacuten de ambas La cantidad de calor transferido por conveccioacuten se rige por la ley de enfriamiento de Newton
bullRadiacioacuten se puede atribuir a cambios en las configuraciones electroacutenicas de los aacutetomos o moleacuteculas constitutivas En ausencia de un medio existe una transferencia neta de calor por radiacioacuten entre dos superficies a diferentes temperaturas debido a que todas las superficies con temperatura finita emiten energiacutea en forma de ondas electromagneacuteticas El calor emitido por una superficie en la unidad de tiempo viene dado por la ley de Stefan-Boltzmann
Se denomina radiacioacuten teacutermica o radiacioacuten caloriacutefica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura Todos los cuerpos emiten radiacioacuten electromagneacutetica siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada En lo que respecta a la transferencia de calor la radiacioacuten relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 01microm a 1000microm abarcando por tanto la regioacuten infrarroja del espectro electromagneacuteticoLa materia en un estado condensado (soacutelido o liacutequido) emite un espectro de radiacioacuten continuo La frecuencia de onda emitida por radiacioacuten teacutermica es una funcioacuten de densidad de probabilidad que depende solo de la temperatura
bullLa radiacioacuten infrarroja de un radiador domeacutestico comuacuten o de un calefactor eleacutectrico es un ejemplo de radiacioacuten teacutermicabullLa luz emitida por una laacutempara incandescente La radiacioacuten teacutermica se produce cuando el calor del movimiento de partiacuteculas cargadas dentro de los aacutetomos se convierte en radiacioacuten electromagneacutetica
bullLa aplicacioacuten de la ley de Planck al Sol con una temperatura superficial de unos 6000 K nos lleva a que el 99 de la radiacioacuten emitida estaacute entre las
longitudes de onda 015 (microacutemetros o micras) y 4 micras y su maacuteximo dado por la ley de Wien ocurre a 0475 micras Como 1 Aring = 10-10 m = 10-
4micras resulta que el Sol emite en un rango de 1500 Aring hasta 40000 Aring y el maacuteximo ocurre a 4750 Aring La luz visible se extiende desde 4000 Aring a 7400 Aring La radiacioacuten ultravioleta u ondas cortas iriacutean desde los 1500 Aring a los 4000 Aring y la radiacioacuten infrarroja o radiacioacuten teacutermica u ondas largas desde las 074 micras a 4 micras
Tipos de radiaciones
bullradiacioacuten de radiobullradiacioacuten de microondasbullradiacioacuten infrarrojabullradiacioacuten visiblebullradiacioacuten ultravioletabullradiacioacuten Xbullradiacioacuten gamma (es la que emite maacutes energiacutea y la maacutes peligrosa)
Comemos alimentos
Para mantener nuestras funciones bioloacutegicas
Quemamos combustibles
Para producir energiacutea eleacutectricaPara calentar nuestras casasPara generar potencia en aviones trenes automoacuteviles
Usamos cubitos de hielo
Para enfriar bebidas
Usamos calor Para convertir masa cruda en pan horneado
Todos estos ejemplos nos indican que las reacciones quiacutemicas tienen algo en comuacuten
Las reacciones quiacutemicas implican cambios de energiacuteaLa combustioacuten de la gasolina libera energiacutea
La separacioacuten del agua en hidroacutegeno y oxiacutegeno requiere energiacutea
El estudio de la energiacutea y sus transformaciones se
conoce como TERMO DINAacuteMICAThermeldquocalorrdquo
DynamisldquoPotenciardquo
La invencioacuten del termoacutemetro se atribuye a Galileo aunque el termoacutemetro sellado no aparecioacute hasta 1650
Los oriacutegenes de la Termodinaacutemica como ciencia podriacuteanestablecerse en la eacutepoca de la invencioacuten del termoacutemetro quese atribuye a Galileo En reacciones que se desarrollan bajo condiciones controladas la medicioacuten de las variaciones de temperatura permite deducir los intercambios de calor (calores de reaccioacuten)
Termoacutemetro de cristal basado en el principio fiacutesico de que la densidad de un liacutequido cambia seguacuten la temperatura descubierto por Galileo Galilei (1564-1642) En funcioacuten de los cambios de temperatura las bolas de cristal que se encuentran en el interior del termoacutemetro se desplazan hacia arriba o abajo generandose dos zonas una en la parte superior y otra en la parte inferiorCada bola lleva una placa grabada con la temperatura de correspondencia con la densidad del liacutequidoLa temperatura ambiente es mostrada por la bola mas baja del conjunto de bolas que se encuentra en la zona superior del termoacutemetroRango de 18 a 24ordmC (de 2 en 2 grados)
Los termoacutemetros modernos de alcohol y mercurio fueron inventados por el fiacutesico alemaacuten Gabriel Fahrenheit quien tambieacuten propuso la primera escala de temperaturas ampliamente adoptada que lleva su nombre Punto de fusioacuten del hielo 32ordmF
Punto de ebullicioacuten del agua 212ordmF
212-32=180(La magnitud del grado Fahrenheit es menor que la del grado centiacutegrado)
La escala centiacutegrada o Celsius fue disentildeada por el astroacutenomo sueco
Es utilizada en la mayoriacutea de los paiacutesesEl punto de congelacioacuten es 0 grados (0 ordmC) y el punto de ebullicioacuten es de 100 ordmC
Anders Celsius
Por uacuteltimo la escala de temperaturas absolutas o escala Kelvin tiene su cero a una temperatura de ndash27315ordmC 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 expresioacutenTK = TC + 27315
Este aacuterea de estudio se desarrolloacute mucho con la revolucioacuten industrial
Interesaba conocer las relaciones entre calor trabajo y el contenido energeacutetico de los combustibles
Maximizar el rendimiento de las maacutequinas de vapor
Cientiacuteficos quedestacaron por la realizacioacuten de investigaciones y descubrimientos muy relevantesen relacioacuten a la Termodinaacutemica fueron entre otros Boltzmann Carnot ClapeyronClausius Gibbs Helmholtz Hess Joule Kelvin Maxwellhellip
Sistema y medio ambiente Convenio de signos de
los intercambios energeacuteticos Condiciones estaacutendar
Pueden ocurrir intercambios demateria yo energiacutea entre sistema y medio ambiente pero eacutestos deben ser controlados
ldquoexperimentordquo
sistema
medio ambiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema
son positivos
Tanto el calor perdido
por el sistema como el
trabajo efectuado por
el sistema sobre su
entorno son negativos
El convenio de signos para los intercambios de energiacutea en forma de calor y trabajo entre sistema y medio ambiente es el siguiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema son positivos aumentan su energiacutea
Tanto el calor perdido por el sistema como el trabajo efectuado por el sistema sobre su entorno son negativos reducen la energiacutea del sistema
qgt0wgt0
qlt0wlt0
qgt0wgt0
qlt0wlt0
E
EL QUIacuteMICO ES EL SISTEMA y lo ve desde dentro
El FIacuteSICO lo ve desde fuera
El quiacutemico ve el sistema desde dentro como si EL fuese el sistema
Por ejemplo un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre ambas partes del universo
La Termodinaacutemica se relaciona con los estados de equilibrioUn estado de equilibrio es aqueacutel en el que las propiedades macroscoacutepicas del sistema temperatura densidad composicioacuten quiacutemica etc estaacuten bien definidas y no variacutean
La Termodinaacutemica permite discernir si es posible pasar de un estado de equilibrio a otro pero no la velocidad de dicha transformacioacuten
Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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 funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
FORMATObull ARIAL 12bull INTERLINIADO 15 williamrubergmailcom
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lustracioacuten para indicar diferencia entre calor y trabajo
La energiacutea cruza los liacutemites del sistema porque la temperatura de las paredes es mayor que la temperatura del gas El calor cruza los liacutemites del sistema la electricidad cruza los liacutemites del sistema El trabajo cruza los liacutemites del sistema
La transferencia de calor es el proceso de propagacioacuten del calor en distintos medios La parte de la fiacutesica que estudia estos procesos se llama a su vez Transferencia de calor o Transmisioacuten de calor La transferencia de calor se produce siempre que existe un gradiente teacutermico o cuando dos sistemas con diferentes temperaturas se ponen en contacto El proceso persiste hasta alcanzar el equilibrio teacutermico es decir hasta que se igualan las temperaturas Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos o regiones lo suficientemente proacuteximas la transferencia de calor no puede ser detenida solo puede hacerse maacutes lenta
TRANSFERENCIA DE CALOR
Una barra al rojo vivo transfiere calor al ambiente principalmente por radiacioacuten teacutermica y en menor medida por conveccioacuten
La termodinaacutemica es la ciencia que estudia la relacioacuten entre el calor y otras formas de energiacutea El calor es energiacutea en traacutensito Siempre que existe un gradiente de temperatura en un sistema o se ponen en contacto dos sistemas a diferente temperatura se transfiere energiacutea entre ellos Sabemos de esta transferencia no porque la veamos sino por los cambios que se producen en el o los sistemas La Termodinaacutemica basaacutendose en los estados de cada sistema desde un punto de vista macroscoacutepico es decir en funcioacuten de atributos tales como la presioacuten la temperatura y el volumen que se pueden medir determina si ha habido cambios en la energiacutea interna de los mismos En cumplimiento del Primer principio y descartada la interaccioacuten de trabajo con el exterior la variacioacuten de energiacutea interna solo puede ser debida a calor es decir a transferencia de energiacutea de un sistema al otro
Pero los paraacutemetros macroscoacutepicos solo se pueden medir o tiene valor su medida si es homogeacutenea en todo el sistema lo que solo ocurre si estaacuten en equilibrio La termodinaacutemica por tanto se ocupa de los estados de equilibrio y en funcioacuten de sus diferencias determina la cantidad de energiacutea transferida de un estado al otro pero sin considerar el mecanismo de flujo de calor ni la velocidad a la que se ha realizado la transferencia En un anaacutelisis termodinaacutemico se sabe la cantidad de energiacutea necesaria para pasar de un estado al otro pero no se conoce cuaacutento tiempo ha requerido la transferencia porque el tiempo no se incluye como variable en el anaacutelisis1 Esto es objetivo de otra rama de la ciencia que se conoce como Transferencia de calor
La Transferencia de calor como ciencia tiene como objetivo calcular La velocidad de transferencia de calor para una diferencia de temperatura especiacutefica y no es una misioacuten baladiacute ya que casi cualquier rama de la ingenieriacutea encuentra problemas de transferencia de calor que no podriacutean ser resueltos con uacutenicamente el razonamiento termodinaacutemico
Imagen tomada de una computacioacuten de conveccioacuten en el manto terrestre los colores rojizos representan aacutereas maacutes calientes y los maacutes azules las maacutes friacuteas
bullConduccioacuten Es la transferencia de calor que se produce a traveacutes de un medio material por contacto directo entre sus partiacuteculas cuando existe una diferencia de temperatura y en virtud del movimiento de sus micro partiacuteculas El medio puede ser soacutelido liacutequido o gaseoso aunque en liacutequidos y gases solo se da la conduccioacuten pura si se excluye la posibilidad de conveccioacuten La cantidad de calor que se transfiere por conduccioacuten viene dada por la ley de Fourier Esta ley afirma que la velocidad de conduccioacuten de calor a traveacutes de un cuerpo por unidad de seccioacuten transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo
La conduccioacuten de calor o transmisioacuten de calor por conduccioacuten es un proceso de transmisioacuten de calor basado en el contacto directo entre los cuerpos sin intercambio de materia por el que el calor fluye desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura que estaacute en contacto con el primero La propiedad fiacutesica de los materiales que determina su capacidad para conducir el calor es la conductividad teacutermica La propiedad inversa de la conductividad teacutermica es la resistividad teacutermica que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor
El segundo principio de la termodinaacutemica determina que el calor soacutelo puede fluir de un cuerpo maacutes caliente a uno maacutes friacuteo la ley de Fourier fija cuantitativamente la relacioacuten entre el flujo y las variaciones espacial y temporal de la temperatura
bullConveccioacuten La transmisioacuten de calor por conveccioacuten se compone de dos mecanismos simultaacuteneos El primero es la transferencia de calor por conduccioacuten debida al movimiento molecular a la que se superpone la transferencia de energiacutea por el movimiento de fracciones del fluido que se mueven accionadas por una fuerza externa que puede ser un gradiente de densidad (conveccioacuten natural) o una diferencia de presioacuten producida mecaacutenicamente (conveccioacuten forzada) o una combinacioacuten de ambas La cantidad de calor transferido por conveccioacuten se rige por la ley de enfriamiento de Newton
bullRadiacioacuten se puede atribuir a cambios en las configuraciones electroacutenicas de los aacutetomos o moleacuteculas constitutivas En ausencia de un medio existe una transferencia neta de calor por radiacioacuten entre dos superficies a diferentes temperaturas debido a que todas las superficies con temperatura finita emiten energiacutea en forma de ondas electromagneacuteticas El calor emitido por una superficie en la unidad de tiempo viene dado por la ley de Stefan-Boltzmann
Se denomina radiacioacuten teacutermica o radiacioacuten caloriacutefica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura Todos los cuerpos emiten radiacioacuten electromagneacutetica siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada En lo que respecta a la transferencia de calor la radiacioacuten relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 01microm a 1000microm abarcando por tanto la regioacuten infrarroja del espectro electromagneacuteticoLa materia en un estado condensado (soacutelido o liacutequido) emite un espectro de radiacioacuten continuo La frecuencia de onda emitida por radiacioacuten teacutermica es una funcioacuten de densidad de probabilidad que depende solo de la temperatura
bullLa radiacioacuten infrarroja de un radiador domeacutestico comuacuten o de un calefactor eleacutectrico es un ejemplo de radiacioacuten teacutermicabullLa luz emitida por una laacutempara incandescente La radiacioacuten teacutermica se produce cuando el calor del movimiento de partiacuteculas cargadas dentro de los aacutetomos se convierte en radiacioacuten electromagneacutetica
bullLa aplicacioacuten de la ley de Planck al Sol con una temperatura superficial de unos 6000 K nos lleva a que el 99 de la radiacioacuten emitida estaacute entre las
longitudes de onda 015 (microacutemetros o micras) y 4 micras y su maacuteximo dado por la ley de Wien ocurre a 0475 micras Como 1 Aring = 10-10 m = 10-
4micras resulta que el Sol emite en un rango de 1500 Aring hasta 40000 Aring y el maacuteximo ocurre a 4750 Aring La luz visible se extiende desde 4000 Aring a 7400 Aring La radiacioacuten ultravioleta u ondas cortas iriacutean desde los 1500 Aring a los 4000 Aring y la radiacioacuten infrarroja o radiacioacuten teacutermica u ondas largas desde las 074 micras a 4 micras
Tipos de radiaciones
bullradiacioacuten de radiobullradiacioacuten de microondasbullradiacioacuten infrarrojabullradiacioacuten visiblebullradiacioacuten ultravioletabullradiacioacuten Xbullradiacioacuten gamma (es la que emite maacutes energiacutea y la maacutes peligrosa)
Comemos alimentos
Para mantener nuestras funciones bioloacutegicas
Quemamos combustibles
Para producir energiacutea eleacutectricaPara calentar nuestras casasPara generar potencia en aviones trenes automoacuteviles
Usamos cubitos de hielo
Para enfriar bebidas
Usamos calor Para convertir masa cruda en pan horneado
Todos estos ejemplos nos indican que las reacciones quiacutemicas tienen algo en comuacuten
Las reacciones quiacutemicas implican cambios de energiacuteaLa combustioacuten de la gasolina libera energiacutea
La separacioacuten del agua en hidroacutegeno y oxiacutegeno requiere energiacutea
El estudio de la energiacutea y sus transformaciones se
conoce como TERMO DINAacuteMICAThermeldquocalorrdquo
DynamisldquoPotenciardquo
La invencioacuten del termoacutemetro se atribuye a Galileo aunque el termoacutemetro sellado no aparecioacute hasta 1650
Los oriacutegenes de la Termodinaacutemica como ciencia podriacuteanestablecerse en la eacutepoca de la invencioacuten del termoacutemetro quese atribuye a Galileo En reacciones que se desarrollan bajo condiciones controladas la medicioacuten de las variaciones de temperatura permite deducir los intercambios de calor (calores de reaccioacuten)
Termoacutemetro de cristal basado en el principio fiacutesico de que la densidad de un liacutequido cambia seguacuten la temperatura descubierto por Galileo Galilei (1564-1642) En funcioacuten de los cambios de temperatura las bolas de cristal que se encuentran en el interior del termoacutemetro se desplazan hacia arriba o abajo generandose dos zonas una en la parte superior y otra en la parte inferiorCada bola lleva una placa grabada con la temperatura de correspondencia con la densidad del liacutequidoLa temperatura ambiente es mostrada por la bola mas baja del conjunto de bolas que se encuentra en la zona superior del termoacutemetroRango de 18 a 24ordmC (de 2 en 2 grados)
Los termoacutemetros modernos de alcohol y mercurio fueron inventados por el fiacutesico alemaacuten Gabriel Fahrenheit quien tambieacuten propuso la primera escala de temperaturas ampliamente adoptada que lleva su nombre Punto de fusioacuten del hielo 32ordmF
Punto de ebullicioacuten del agua 212ordmF
212-32=180(La magnitud del grado Fahrenheit es menor que la del grado centiacutegrado)
La escala centiacutegrada o Celsius fue disentildeada por el astroacutenomo sueco
Es utilizada en la mayoriacutea de los paiacutesesEl punto de congelacioacuten es 0 grados (0 ordmC) y el punto de ebullicioacuten es de 100 ordmC
Anders Celsius
Por uacuteltimo la escala de temperaturas absolutas o escala Kelvin tiene su cero a una temperatura de ndash27315ordmC 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 expresioacutenTK = TC + 27315
Este aacuterea de estudio se desarrolloacute mucho con la revolucioacuten industrial
Interesaba conocer las relaciones entre calor trabajo y el contenido energeacutetico de los combustibles
Maximizar el rendimiento de las maacutequinas de vapor
Cientiacuteficos quedestacaron por la realizacioacuten de investigaciones y descubrimientos muy relevantesen relacioacuten a la Termodinaacutemica fueron entre otros Boltzmann Carnot ClapeyronClausius Gibbs Helmholtz Hess Joule Kelvin Maxwellhellip
Sistema y medio ambiente Convenio de signos de
los intercambios energeacuteticos Condiciones estaacutendar
Pueden ocurrir intercambios demateria yo energiacutea entre sistema y medio ambiente pero eacutestos deben ser controlados
ldquoexperimentordquo
sistema
medio ambiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema
son positivos
Tanto el calor perdido
por el sistema como el
trabajo efectuado por
el sistema sobre su
entorno son negativos
El convenio de signos para los intercambios de energiacutea en forma de calor y trabajo entre sistema y medio ambiente es el siguiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema son positivos aumentan su energiacutea
Tanto el calor perdido por el sistema como el trabajo efectuado por el sistema sobre su entorno son negativos reducen la energiacutea del sistema
qgt0wgt0
qlt0wlt0
qgt0wgt0
qlt0wlt0
E
EL QUIacuteMICO ES EL SISTEMA y lo ve desde dentro
El FIacuteSICO lo ve desde fuera
El quiacutemico ve el sistema desde dentro como si EL fuese el sistema
Por ejemplo un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre ambas partes del universo
La Termodinaacutemica se relaciona con los estados de equilibrioUn estado de equilibrio es aqueacutel en el que las propiedades macroscoacutepicas del sistema temperatura densidad composicioacuten quiacutemica etc estaacuten bien definidas y no variacutean
La Termodinaacutemica permite discernir si es posible pasar de un estado de equilibrio a otro pero no la velocidad de dicha transformacioacuten
Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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 funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
FORMATObull ARIAL 12bull INTERLINIADO 15 williamrubergmailcom
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La transferencia de calor es el proceso de propagacioacuten del calor en distintos medios La parte de la fiacutesica que estudia estos procesos se llama a su vez Transferencia de calor o Transmisioacuten de calor La transferencia de calor se produce siempre que existe un gradiente teacutermico o cuando dos sistemas con diferentes temperaturas se ponen en contacto El proceso persiste hasta alcanzar el equilibrio teacutermico es decir hasta que se igualan las temperaturas Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos o regiones lo suficientemente proacuteximas la transferencia de calor no puede ser detenida solo puede hacerse maacutes lenta
TRANSFERENCIA DE CALOR
Una barra al rojo vivo transfiere calor al ambiente principalmente por radiacioacuten teacutermica y en menor medida por conveccioacuten
La termodinaacutemica es la ciencia que estudia la relacioacuten entre el calor y otras formas de energiacutea El calor es energiacutea en traacutensito Siempre que existe un gradiente de temperatura en un sistema o se ponen en contacto dos sistemas a diferente temperatura se transfiere energiacutea entre ellos Sabemos de esta transferencia no porque la veamos sino por los cambios que se producen en el o los sistemas La Termodinaacutemica basaacutendose en los estados de cada sistema desde un punto de vista macroscoacutepico es decir en funcioacuten de atributos tales como la presioacuten la temperatura y el volumen que se pueden medir determina si ha habido cambios en la energiacutea interna de los mismos En cumplimiento del Primer principio y descartada la interaccioacuten de trabajo con el exterior la variacioacuten de energiacutea interna solo puede ser debida a calor es decir a transferencia de energiacutea de un sistema al otro
Pero los paraacutemetros macroscoacutepicos solo se pueden medir o tiene valor su medida si es homogeacutenea en todo el sistema lo que solo ocurre si estaacuten en equilibrio La termodinaacutemica por tanto se ocupa de los estados de equilibrio y en funcioacuten de sus diferencias determina la cantidad de energiacutea transferida de un estado al otro pero sin considerar el mecanismo de flujo de calor ni la velocidad a la que se ha realizado la transferencia En un anaacutelisis termodinaacutemico se sabe la cantidad de energiacutea necesaria para pasar de un estado al otro pero no se conoce cuaacutento tiempo ha requerido la transferencia porque el tiempo no se incluye como variable en el anaacutelisis1 Esto es objetivo de otra rama de la ciencia que se conoce como Transferencia de calor
La Transferencia de calor como ciencia tiene como objetivo calcular La velocidad de transferencia de calor para una diferencia de temperatura especiacutefica y no es una misioacuten baladiacute ya que casi cualquier rama de la ingenieriacutea encuentra problemas de transferencia de calor que no podriacutean ser resueltos con uacutenicamente el razonamiento termodinaacutemico
Imagen tomada de una computacioacuten de conveccioacuten en el manto terrestre los colores rojizos representan aacutereas maacutes calientes y los maacutes azules las maacutes friacuteas
bullConduccioacuten Es la transferencia de calor que se produce a traveacutes de un medio material por contacto directo entre sus partiacuteculas cuando existe una diferencia de temperatura y en virtud del movimiento de sus micro partiacuteculas El medio puede ser soacutelido liacutequido o gaseoso aunque en liacutequidos y gases solo se da la conduccioacuten pura si se excluye la posibilidad de conveccioacuten La cantidad de calor que se transfiere por conduccioacuten viene dada por la ley de Fourier Esta ley afirma que la velocidad de conduccioacuten de calor a traveacutes de un cuerpo por unidad de seccioacuten transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo
La conduccioacuten de calor o transmisioacuten de calor por conduccioacuten es un proceso de transmisioacuten de calor basado en el contacto directo entre los cuerpos sin intercambio de materia por el que el calor fluye desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura que estaacute en contacto con el primero La propiedad fiacutesica de los materiales que determina su capacidad para conducir el calor es la conductividad teacutermica La propiedad inversa de la conductividad teacutermica es la resistividad teacutermica que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor
El segundo principio de la termodinaacutemica determina que el calor soacutelo puede fluir de un cuerpo maacutes caliente a uno maacutes friacuteo la ley de Fourier fija cuantitativamente la relacioacuten entre el flujo y las variaciones espacial y temporal de la temperatura
bullConveccioacuten La transmisioacuten de calor por conveccioacuten se compone de dos mecanismos simultaacuteneos El primero es la transferencia de calor por conduccioacuten debida al movimiento molecular a la que se superpone la transferencia de energiacutea por el movimiento de fracciones del fluido que se mueven accionadas por una fuerza externa que puede ser un gradiente de densidad (conveccioacuten natural) o una diferencia de presioacuten producida mecaacutenicamente (conveccioacuten forzada) o una combinacioacuten de ambas La cantidad de calor transferido por conveccioacuten se rige por la ley de enfriamiento de Newton
bullRadiacioacuten se puede atribuir a cambios en las configuraciones electroacutenicas de los aacutetomos o moleacuteculas constitutivas En ausencia de un medio existe una transferencia neta de calor por radiacioacuten entre dos superficies a diferentes temperaturas debido a que todas las superficies con temperatura finita emiten energiacutea en forma de ondas electromagneacuteticas El calor emitido por una superficie en la unidad de tiempo viene dado por la ley de Stefan-Boltzmann
Se denomina radiacioacuten teacutermica o radiacioacuten caloriacutefica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura Todos los cuerpos emiten radiacioacuten electromagneacutetica siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada En lo que respecta a la transferencia de calor la radiacioacuten relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 01microm a 1000microm abarcando por tanto la regioacuten infrarroja del espectro electromagneacuteticoLa materia en un estado condensado (soacutelido o liacutequido) emite un espectro de radiacioacuten continuo La frecuencia de onda emitida por radiacioacuten teacutermica es una funcioacuten de densidad de probabilidad que depende solo de la temperatura
bullLa radiacioacuten infrarroja de un radiador domeacutestico comuacuten o de un calefactor eleacutectrico es un ejemplo de radiacioacuten teacutermicabullLa luz emitida por una laacutempara incandescente La radiacioacuten teacutermica se produce cuando el calor del movimiento de partiacuteculas cargadas dentro de los aacutetomos se convierte en radiacioacuten electromagneacutetica
bullLa aplicacioacuten de la ley de Planck al Sol con una temperatura superficial de unos 6000 K nos lleva a que el 99 de la radiacioacuten emitida estaacute entre las
longitudes de onda 015 (microacutemetros o micras) y 4 micras y su maacuteximo dado por la ley de Wien ocurre a 0475 micras Como 1 Aring = 10-10 m = 10-
4micras resulta que el Sol emite en un rango de 1500 Aring hasta 40000 Aring y el maacuteximo ocurre a 4750 Aring La luz visible se extiende desde 4000 Aring a 7400 Aring La radiacioacuten ultravioleta u ondas cortas iriacutean desde los 1500 Aring a los 4000 Aring y la radiacioacuten infrarroja o radiacioacuten teacutermica u ondas largas desde las 074 micras a 4 micras
Tipos de radiaciones
bullradiacioacuten de radiobullradiacioacuten de microondasbullradiacioacuten infrarrojabullradiacioacuten visiblebullradiacioacuten ultravioletabullradiacioacuten Xbullradiacioacuten gamma (es la que emite maacutes energiacutea y la maacutes peligrosa)
Comemos alimentos
Para mantener nuestras funciones bioloacutegicas
Quemamos combustibles
Para producir energiacutea eleacutectricaPara calentar nuestras casasPara generar potencia en aviones trenes automoacuteviles
Usamos cubitos de hielo
Para enfriar bebidas
Usamos calor Para convertir masa cruda en pan horneado
Todos estos ejemplos nos indican que las reacciones quiacutemicas tienen algo en comuacuten
Las reacciones quiacutemicas implican cambios de energiacuteaLa combustioacuten de la gasolina libera energiacutea
La separacioacuten del agua en hidroacutegeno y oxiacutegeno requiere energiacutea
El estudio de la energiacutea y sus transformaciones se
conoce como TERMO DINAacuteMICAThermeldquocalorrdquo
DynamisldquoPotenciardquo
La invencioacuten del termoacutemetro se atribuye a Galileo aunque el termoacutemetro sellado no aparecioacute hasta 1650
Los oriacutegenes de la Termodinaacutemica como ciencia podriacuteanestablecerse en la eacutepoca de la invencioacuten del termoacutemetro quese atribuye a Galileo En reacciones que se desarrollan bajo condiciones controladas la medicioacuten de las variaciones de temperatura permite deducir los intercambios de calor (calores de reaccioacuten)
Termoacutemetro de cristal basado en el principio fiacutesico de que la densidad de un liacutequido cambia seguacuten la temperatura descubierto por Galileo Galilei (1564-1642) En funcioacuten de los cambios de temperatura las bolas de cristal que se encuentran en el interior del termoacutemetro se desplazan hacia arriba o abajo generandose dos zonas una en la parte superior y otra en la parte inferiorCada bola lleva una placa grabada con la temperatura de correspondencia con la densidad del liacutequidoLa temperatura ambiente es mostrada por la bola mas baja del conjunto de bolas que se encuentra en la zona superior del termoacutemetroRango de 18 a 24ordmC (de 2 en 2 grados)
Los termoacutemetros modernos de alcohol y mercurio fueron inventados por el fiacutesico alemaacuten Gabriel Fahrenheit quien tambieacuten propuso la primera escala de temperaturas ampliamente adoptada que lleva su nombre Punto de fusioacuten del hielo 32ordmF
Punto de ebullicioacuten del agua 212ordmF
212-32=180(La magnitud del grado Fahrenheit es menor que la del grado centiacutegrado)
La escala centiacutegrada o Celsius fue disentildeada por el astroacutenomo sueco
Es utilizada en la mayoriacutea de los paiacutesesEl punto de congelacioacuten es 0 grados (0 ordmC) y el punto de ebullicioacuten es de 100 ordmC
Anders Celsius
Por uacuteltimo la escala de temperaturas absolutas o escala Kelvin tiene su cero a una temperatura de ndash27315ordmC 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 expresioacutenTK = TC + 27315
Este aacuterea de estudio se desarrolloacute mucho con la revolucioacuten industrial
Interesaba conocer las relaciones entre calor trabajo y el contenido energeacutetico de los combustibles
Maximizar el rendimiento de las maacutequinas de vapor
Cientiacuteficos quedestacaron por la realizacioacuten de investigaciones y descubrimientos muy relevantesen relacioacuten a la Termodinaacutemica fueron entre otros Boltzmann Carnot ClapeyronClausius Gibbs Helmholtz Hess Joule Kelvin Maxwellhellip
Sistema y medio ambiente Convenio de signos de
los intercambios energeacuteticos Condiciones estaacutendar
Pueden ocurrir intercambios demateria yo energiacutea entre sistema y medio ambiente pero eacutestos deben ser controlados
ldquoexperimentordquo
sistema
medio ambiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema
son positivos
Tanto el calor perdido
por el sistema como el
trabajo efectuado por
el sistema sobre su
entorno son negativos
El convenio de signos para los intercambios de energiacutea en forma de calor y trabajo entre sistema y medio ambiente es el siguiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema son positivos aumentan su energiacutea
Tanto el calor perdido por el sistema como el trabajo efectuado por el sistema sobre su entorno son negativos reducen la energiacutea del sistema
qgt0wgt0
qlt0wlt0
qgt0wgt0
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E
EL QUIacuteMICO ES EL SISTEMA y lo ve desde dentro
El FIacuteSICO lo ve desde fuera
El quiacutemico ve el sistema desde dentro como si EL fuese el sistema
Por ejemplo un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre ambas partes del universo
La Termodinaacutemica se relaciona con los estados de equilibrioUn estado de equilibrio es aqueacutel en el que las propiedades macroscoacutepicas del sistema temperatura densidad composicioacuten quiacutemica etc estaacuten bien definidas y no variacutean
La Termodinaacutemica permite discernir si es posible pasar de un estado de equilibrio a otro pero no la velocidad de dicha transformacioacuten
Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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
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Una funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
FORMATObull ARIAL 12bull INTERLINIADO 15 williamrubergmailcom
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Una barra al rojo vivo transfiere calor al ambiente principalmente por radiacioacuten teacutermica y en menor medida por conveccioacuten
La termodinaacutemica es la ciencia que estudia la relacioacuten entre el calor y otras formas de energiacutea El calor es energiacutea en traacutensito Siempre que existe un gradiente de temperatura en un sistema o se ponen en contacto dos sistemas a diferente temperatura se transfiere energiacutea entre ellos Sabemos de esta transferencia no porque la veamos sino por los cambios que se producen en el o los sistemas La Termodinaacutemica basaacutendose en los estados de cada sistema desde un punto de vista macroscoacutepico es decir en funcioacuten de atributos tales como la presioacuten la temperatura y el volumen que se pueden medir determina si ha habido cambios en la energiacutea interna de los mismos En cumplimiento del Primer principio y descartada la interaccioacuten de trabajo con el exterior la variacioacuten de energiacutea interna solo puede ser debida a calor es decir a transferencia de energiacutea de un sistema al otro
Pero los paraacutemetros macroscoacutepicos solo se pueden medir o tiene valor su medida si es homogeacutenea en todo el sistema lo que solo ocurre si estaacuten en equilibrio La termodinaacutemica por tanto se ocupa de los estados de equilibrio y en funcioacuten de sus diferencias determina la cantidad de energiacutea transferida de un estado al otro pero sin considerar el mecanismo de flujo de calor ni la velocidad a la que se ha realizado la transferencia En un anaacutelisis termodinaacutemico se sabe la cantidad de energiacutea necesaria para pasar de un estado al otro pero no se conoce cuaacutento tiempo ha requerido la transferencia porque el tiempo no se incluye como variable en el anaacutelisis1 Esto es objetivo de otra rama de la ciencia que se conoce como Transferencia de calor
La Transferencia de calor como ciencia tiene como objetivo calcular La velocidad de transferencia de calor para una diferencia de temperatura especiacutefica y no es una misioacuten baladiacute ya que casi cualquier rama de la ingenieriacutea encuentra problemas de transferencia de calor que no podriacutean ser resueltos con uacutenicamente el razonamiento termodinaacutemico
Imagen tomada de una computacioacuten de conveccioacuten en el manto terrestre los colores rojizos representan aacutereas maacutes calientes y los maacutes azules las maacutes friacuteas
bullConduccioacuten Es la transferencia de calor que se produce a traveacutes de un medio material por contacto directo entre sus partiacuteculas cuando existe una diferencia de temperatura y en virtud del movimiento de sus micro partiacuteculas El medio puede ser soacutelido liacutequido o gaseoso aunque en liacutequidos y gases solo se da la conduccioacuten pura si se excluye la posibilidad de conveccioacuten La cantidad de calor que se transfiere por conduccioacuten viene dada por la ley de Fourier Esta ley afirma que la velocidad de conduccioacuten de calor a traveacutes de un cuerpo por unidad de seccioacuten transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo
La conduccioacuten de calor o transmisioacuten de calor por conduccioacuten es un proceso de transmisioacuten de calor basado en el contacto directo entre los cuerpos sin intercambio de materia por el que el calor fluye desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura que estaacute en contacto con el primero La propiedad fiacutesica de los materiales que determina su capacidad para conducir el calor es la conductividad teacutermica La propiedad inversa de la conductividad teacutermica es la resistividad teacutermica que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor
El segundo principio de la termodinaacutemica determina que el calor soacutelo puede fluir de un cuerpo maacutes caliente a uno maacutes friacuteo la ley de Fourier fija cuantitativamente la relacioacuten entre el flujo y las variaciones espacial y temporal de la temperatura
bullConveccioacuten La transmisioacuten de calor por conveccioacuten se compone de dos mecanismos simultaacuteneos El primero es la transferencia de calor por conduccioacuten debida al movimiento molecular a la que se superpone la transferencia de energiacutea por el movimiento de fracciones del fluido que se mueven accionadas por una fuerza externa que puede ser un gradiente de densidad (conveccioacuten natural) o una diferencia de presioacuten producida mecaacutenicamente (conveccioacuten forzada) o una combinacioacuten de ambas La cantidad de calor transferido por conveccioacuten se rige por la ley de enfriamiento de Newton
bullRadiacioacuten se puede atribuir a cambios en las configuraciones electroacutenicas de los aacutetomos o moleacuteculas constitutivas En ausencia de un medio existe una transferencia neta de calor por radiacioacuten entre dos superficies a diferentes temperaturas debido a que todas las superficies con temperatura finita emiten energiacutea en forma de ondas electromagneacuteticas El calor emitido por una superficie en la unidad de tiempo viene dado por la ley de Stefan-Boltzmann
Se denomina radiacioacuten teacutermica o radiacioacuten caloriacutefica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura Todos los cuerpos emiten radiacioacuten electromagneacutetica siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada En lo que respecta a la transferencia de calor la radiacioacuten relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 01microm a 1000microm abarcando por tanto la regioacuten infrarroja del espectro electromagneacuteticoLa materia en un estado condensado (soacutelido o liacutequido) emite un espectro de radiacioacuten continuo La frecuencia de onda emitida por radiacioacuten teacutermica es una funcioacuten de densidad de probabilidad que depende solo de la temperatura
bullLa radiacioacuten infrarroja de un radiador domeacutestico comuacuten o de un calefactor eleacutectrico es un ejemplo de radiacioacuten teacutermicabullLa luz emitida por una laacutempara incandescente La radiacioacuten teacutermica se produce cuando el calor del movimiento de partiacuteculas cargadas dentro de los aacutetomos se convierte en radiacioacuten electromagneacutetica
bullLa aplicacioacuten de la ley de Planck al Sol con una temperatura superficial de unos 6000 K nos lleva a que el 99 de la radiacioacuten emitida estaacute entre las
longitudes de onda 015 (microacutemetros o micras) y 4 micras y su maacuteximo dado por la ley de Wien ocurre a 0475 micras Como 1 Aring = 10-10 m = 10-
4micras resulta que el Sol emite en un rango de 1500 Aring hasta 40000 Aring y el maacuteximo ocurre a 4750 Aring La luz visible se extiende desde 4000 Aring a 7400 Aring La radiacioacuten ultravioleta u ondas cortas iriacutean desde los 1500 Aring a los 4000 Aring y la radiacioacuten infrarroja o radiacioacuten teacutermica u ondas largas desde las 074 micras a 4 micras
Tipos de radiaciones
bullradiacioacuten de radiobullradiacioacuten de microondasbullradiacioacuten infrarrojabullradiacioacuten visiblebullradiacioacuten ultravioletabullradiacioacuten Xbullradiacioacuten gamma (es la que emite maacutes energiacutea y la maacutes peligrosa)
Comemos alimentos
Para mantener nuestras funciones bioloacutegicas
Quemamos combustibles
Para producir energiacutea eleacutectricaPara calentar nuestras casasPara generar potencia en aviones trenes automoacuteviles
Usamos cubitos de hielo
Para enfriar bebidas
Usamos calor Para convertir masa cruda en pan horneado
Todos estos ejemplos nos indican que las reacciones quiacutemicas tienen algo en comuacuten
Las reacciones quiacutemicas implican cambios de energiacuteaLa combustioacuten de la gasolina libera energiacutea
La separacioacuten del agua en hidroacutegeno y oxiacutegeno requiere energiacutea
El estudio de la energiacutea y sus transformaciones se
conoce como TERMO DINAacuteMICAThermeldquocalorrdquo
DynamisldquoPotenciardquo
La invencioacuten del termoacutemetro se atribuye a Galileo aunque el termoacutemetro sellado no aparecioacute hasta 1650
Los oriacutegenes de la Termodinaacutemica como ciencia podriacuteanestablecerse en la eacutepoca de la invencioacuten del termoacutemetro quese atribuye a Galileo En reacciones que se desarrollan bajo condiciones controladas la medicioacuten de las variaciones de temperatura permite deducir los intercambios de calor (calores de reaccioacuten)
Termoacutemetro de cristal basado en el principio fiacutesico de que la densidad de un liacutequido cambia seguacuten la temperatura descubierto por Galileo Galilei (1564-1642) En funcioacuten de los cambios de temperatura las bolas de cristal que se encuentran en el interior del termoacutemetro se desplazan hacia arriba o abajo generandose dos zonas una en la parte superior y otra en la parte inferiorCada bola lleva una placa grabada con la temperatura de correspondencia con la densidad del liacutequidoLa temperatura ambiente es mostrada por la bola mas baja del conjunto de bolas que se encuentra en la zona superior del termoacutemetroRango de 18 a 24ordmC (de 2 en 2 grados)
Los termoacutemetros modernos de alcohol y mercurio fueron inventados por el fiacutesico alemaacuten Gabriel Fahrenheit quien tambieacuten propuso la primera escala de temperaturas ampliamente adoptada que lleva su nombre Punto de fusioacuten del hielo 32ordmF
Punto de ebullicioacuten del agua 212ordmF
212-32=180(La magnitud del grado Fahrenheit es menor que la del grado centiacutegrado)
La escala centiacutegrada o Celsius fue disentildeada por el astroacutenomo sueco
Es utilizada en la mayoriacutea de los paiacutesesEl punto de congelacioacuten es 0 grados (0 ordmC) y el punto de ebullicioacuten es de 100 ordmC
Anders Celsius
Por uacuteltimo la escala de temperaturas absolutas o escala Kelvin tiene su cero a una temperatura de ndash27315ordmC 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 expresioacutenTK = TC + 27315
Este aacuterea de estudio se desarrolloacute mucho con la revolucioacuten industrial
Interesaba conocer las relaciones entre calor trabajo y el contenido energeacutetico de los combustibles
Maximizar el rendimiento de las maacutequinas de vapor
Cientiacuteficos quedestacaron por la realizacioacuten de investigaciones y descubrimientos muy relevantesen relacioacuten a la Termodinaacutemica fueron entre otros Boltzmann Carnot ClapeyronClausius Gibbs Helmholtz Hess Joule Kelvin Maxwellhellip
Sistema y medio ambiente Convenio de signos de
los intercambios energeacuteticos Condiciones estaacutendar
Pueden ocurrir intercambios demateria yo energiacutea entre sistema y medio ambiente pero eacutestos deben ser controlados
ldquoexperimentordquo
sistema
medio ambiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema
son positivos
Tanto el calor perdido
por el sistema como el
trabajo efectuado por
el sistema sobre su
entorno son negativos
El convenio de signos para los intercambios de energiacutea en forma de calor y trabajo entre sistema y medio ambiente es el siguiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema son positivos aumentan su energiacutea
Tanto el calor perdido por el sistema como el trabajo efectuado por el sistema sobre su entorno son negativos reducen la energiacutea del sistema
qgt0wgt0
qlt0wlt0
qgt0wgt0
qlt0wlt0
E
EL QUIacuteMICO ES EL SISTEMA y lo ve desde dentro
El FIacuteSICO lo ve desde fuera
El quiacutemico ve el sistema desde dentro como si EL fuese el sistema
Por ejemplo un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre ambas partes del universo
La Termodinaacutemica se relaciona con los estados de equilibrioUn estado de equilibrio es aqueacutel en el que las propiedades macroscoacutepicas del sistema temperatura densidad composicioacuten quiacutemica etc estaacuten bien definidas y no variacutean
La Termodinaacutemica permite discernir si es posible pasar de un estado de equilibrio a otro pero no la velocidad de dicha transformacioacuten
Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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
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Una funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
FORMATObull ARIAL 12bull INTERLINIADO 15 williamrubergmailcom
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La termodinaacutemica es la ciencia que estudia la relacioacuten entre el calor y otras formas de energiacutea El calor es energiacutea en traacutensito Siempre que existe un gradiente de temperatura en un sistema o se ponen en contacto dos sistemas a diferente temperatura se transfiere energiacutea entre ellos Sabemos de esta transferencia no porque la veamos sino por los cambios que se producen en el o los sistemas La Termodinaacutemica basaacutendose en los estados de cada sistema desde un punto de vista macroscoacutepico es decir en funcioacuten de atributos tales como la presioacuten la temperatura y el volumen que se pueden medir determina si ha habido cambios en la energiacutea interna de los mismos En cumplimiento del Primer principio y descartada la interaccioacuten de trabajo con el exterior la variacioacuten de energiacutea interna solo puede ser debida a calor es decir a transferencia de energiacutea de un sistema al otro
Pero los paraacutemetros macroscoacutepicos solo se pueden medir o tiene valor su medida si es homogeacutenea en todo el sistema lo que solo ocurre si estaacuten en equilibrio La termodinaacutemica por tanto se ocupa de los estados de equilibrio y en funcioacuten de sus diferencias determina la cantidad de energiacutea transferida de un estado al otro pero sin considerar el mecanismo de flujo de calor ni la velocidad a la que se ha realizado la transferencia En un anaacutelisis termodinaacutemico se sabe la cantidad de energiacutea necesaria para pasar de un estado al otro pero no se conoce cuaacutento tiempo ha requerido la transferencia porque el tiempo no se incluye como variable en el anaacutelisis1 Esto es objetivo de otra rama de la ciencia que se conoce como Transferencia de calor
La Transferencia de calor como ciencia tiene como objetivo calcular La velocidad de transferencia de calor para una diferencia de temperatura especiacutefica y no es una misioacuten baladiacute ya que casi cualquier rama de la ingenieriacutea encuentra problemas de transferencia de calor que no podriacutean ser resueltos con uacutenicamente el razonamiento termodinaacutemico
Imagen tomada de una computacioacuten de conveccioacuten en el manto terrestre los colores rojizos representan aacutereas maacutes calientes y los maacutes azules las maacutes friacuteas
bullConduccioacuten Es la transferencia de calor que se produce a traveacutes de un medio material por contacto directo entre sus partiacuteculas cuando existe una diferencia de temperatura y en virtud del movimiento de sus micro partiacuteculas El medio puede ser soacutelido liacutequido o gaseoso aunque en liacutequidos y gases solo se da la conduccioacuten pura si se excluye la posibilidad de conveccioacuten La cantidad de calor que se transfiere por conduccioacuten viene dada por la ley de Fourier Esta ley afirma que la velocidad de conduccioacuten de calor a traveacutes de un cuerpo por unidad de seccioacuten transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo
La conduccioacuten de calor o transmisioacuten de calor por conduccioacuten es un proceso de transmisioacuten de calor basado en el contacto directo entre los cuerpos sin intercambio de materia por el que el calor fluye desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura que estaacute en contacto con el primero La propiedad fiacutesica de los materiales que determina su capacidad para conducir el calor es la conductividad teacutermica La propiedad inversa de la conductividad teacutermica es la resistividad teacutermica que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor
El segundo principio de la termodinaacutemica determina que el calor soacutelo puede fluir de un cuerpo maacutes caliente a uno maacutes friacuteo la ley de Fourier fija cuantitativamente la relacioacuten entre el flujo y las variaciones espacial y temporal de la temperatura
bullConveccioacuten La transmisioacuten de calor por conveccioacuten se compone de dos mecanismos simultaacuteneos El primero es la transferencia de calor por conduccioacuten debida al movimiento molecular a la que se superpone la transferencia de energiacutea por el movimiento de fracciones del fluido que se mueven accionadas por una fuerza externa que puede ser un gradiente de densidad (conveccioacuten natural) o una diferencia de presioacuten producida mecaacutenicamente (conveccioacuten forzada) o una combinacioacuten de ambas La cantidad de calor transferido por conveccioacuten se rige por la ley de enfriamiento de Newton
bullRadiacioacuten se puede atribuir a cambios en las configuraciones electroacutenicas de los aacutetomos o moleacuteculas constitutivas En ausencia de un medio existe una transferencia neta de calor por radiacioacuten entre dos superficies a diferentes temperaturas debido a que todas las superficies con temperatura finita emiten energiacutea en forma de ondas electromagneacuteticas El calor emitido por una superficie en la unidad de tiempo viene dado por la ley de Stefan-Boltzmann
Se denomina radiacioacuten teacutermica o radiacioacuten caloriacutefica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura Todos los cuerpos emiten radiacioacuten electromagneacutetica siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada En lo que respecta a la transferencia de calor la radiacioacuten relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 01microm a 1000microm abarcando por tanto la regioacuten infrarroja del espectro electromagneacuteticoLa materia en un estado condensado (soacutelido o liacutequido) emite un espectro de radiacioacuten continuo La frecuencia de onda emitida por radiacioacuten teacutermica es una funcioacuten de densidad de probabilidad que depende solo de la temperatura
bullLa radiacioacuten infrarroja de un radiador domeacutestico comuacuten o de un calefactor eleacutectrico es un ejemplo de radiacioacuten teacutermicabullLa luz emitida por una laacutempara incandescente La radiacioacuten teacutermica se produce cuando el calor del movimiento de partiacuteculas cargadas dentro de los aacutetomos se convierte en radiacioacuten electromagneacutetica
bullLa aplicacioacuten de la ley de Planck al Sol con una temperatura superficial de unos 6000 K nos lleva a que el 99 de la radiacioacuten emitida estaacute entre las
longitudes de onda 015 (microacutemetros o micras) y 4 micras y su maacuteximo dado por la ley de Wien ocurre a 0475 micras Como 1 Aring = 10-10 m = 10-
4micras resulta que el Sol emite en un rango de 1500 Aring hasta 40000 Aring y el maacuteximo ocurre a 4750 Aring La luz visible se extiende desde 4000 Aring a 7400 Aring La radiacioacuten ultravioleta u ondas cortas iriacutean desde los 1500 Aring a los 4000 Aring y la radiacioacuten infrarroja o radiacioacuten teacutermica u ondas largas desde las 074 micras a 4 micras
Tipos de radiaciones
bullradiacioacuten de radiobullradiacioacuten de microondasbullradiacioacuten infrarrojabullradiacioacuten visiblebullradiacioacuten ultravioletabullradiacioacuten Xbullradiacioacuten gamma (es la que emite maacutes energiacutea y la maacutes peligrosa)
Comemos alimentos
Para mantener nuestras funciones bioloacutegicas
Quemamos combustibles
Para producir energiacutea eleacutectricaPara calentar nuestras casasPara generar potencia en aviones trenes automoacuteviles
Usamos cubitos de hielo
Para enfriar bebidas
Usamos calor Para convertir masa cruda en pan horneado
Todos estos ejemplos nos indican que las reacciones quiacutemicas tienen algo en comuacuten
Las reacciones quiacutemicas implican cambios de energiacuteaLa combustioacuten de la gasolina libera energiacutea
La separacioacuten del agua en hidroacutegeno y oxiacutegeno requiere energiacutea
El estudio de la energiacutea y sus transformaciones se
conoce como TERMO DINAacuteMICAThermeldquocalorrdquo
DynamisldquoPotenciardquo
La invencioacuten del termoacutemetro se atribuye a Galileo aunque el termoacutemetro sellado no aparecioacute hasta 1650
Los oriacutegenes de la Termodinaacutemica como ciencia podriacuteanestablecerse en la eacutepoca de la invencioacuten del termoacutemetro quese atribuye a Galileo En reacciones que se desarrollan bajo condiciones controladas la medicioacuten de las variaciones de temperatura permite deducir los intercambios de calor (calores de reaccioacuten)
Termoacutemetro de cristal basado en el principio fiacutesico de que la densidad de un liacutequido cambia seguacuten la temperatura descubierto por Galileo Galilei (1564-1642) En funcioacuten de los cambios de temperatura las bolas de cristal que se encuentran en el interior del termoacutemetro se desplazan hacia arriba o abajo generandose dos zonas una en la parte superior y otra en la parte inferiorCada bola lleva una placa grabada con la temperatura de correspondencia con la densidad del liacutequidoLa temperatura ambiente es mostrada por la bola mas baja del conjunto de bolas que se encuentra en la zona superior del termoacutemetroRango de 18 a 24ordmC (de 2 en 2 grados)
Los termoacutemetros modernos de alcohol y mercurio fueron inventados por el fiacutesico alemaacuten Gabriel Fahrenheit quien tambieacuten propuso la primera escala de temperaturas ampliamente adoptada que lleva su nombre Punto de fusioacuten del hielo 32ordmF
Punto de ebullicioacuten del agua 212ordmF
212-32=180(La magnitud del grado Fahrenheit es menor que la del grado centiacutegrado)
La escala centiacutegrada o Celsius fue disentildeada por el astroacutenomo sueco
Es utilizada en la mayoriacutea de los paiacutesesEl punto de congelacioacuten es 0 grados (0 ordmC) y el punto de ebullicioacuten es de 100 ordmC
Anders Celsius
Por uacuteltimo la escala de temperaturas absolutas o escala Kelvin tiene su cero a una temperatura de ndash27315ordmC 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 expresioacutenTK = TC + 27315
Este aacuterea de estudio se desarrolloacute mucho con la revolucioacuten industrial
Interesaba conocer las relaciones entre calor trabajo y el contenido energeacutetico de los combustibles
Maximizar el rendimiento de las maacutequinas de vapor
Cientiacuteficos quedestacaron por la realizacioacuten de investigaciones y descubrimientos muy relevantesen relacioacuten a la Termodinaacutemica fueron entre otros Boltzmann Carnot ClapeyronClausius Gibbs Helmholtz Hess Joule Kelvin Maxwellhellip
Sistema y medio ambiente Convenio de signos de
los intercambios energeacuteticos Condiciones estaacutendar
Pueden ocurrir intercambios demateria yo energiacutea entre sistema y medio ambiente pero eacutestos deben ser controlados
ldquoexperimentordquo
sistema
medio ambiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema
son positivos
Tanto el calor perdido
por el sistema como el
trabajo efectuado por
el sistema sobre su
entorno son negativos
El convenio de signos para los intercambios de energiacutea en forma de calor y trabajo entre sistema y medio ambiente es el siguiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema son positivos aumentan su energiacutea
Tanto el calor perdido por el sistema como el trabajo efectuado por el sistema sobre su entorno son negativos reducen la energiacutea del sistema
qgt0wgt0
qlt0wlt0
qgt0wgt0
qlt0wlt0
E
EL QUIacuteMICO ES EL SISTEMA y lo ve desde dentro
El FIacuteSICO lo ve desde fuera
El quiacutemico ve el sistema desde dentro como si EL fuese el sistema
Por ejemplo un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre ambas partes del universo
La Termodinaacutemica se relaciona con los estados de equilibrioUn estado de equilibrio es aqueacutel en el que las propiedades macroscoacutepicas del sistema temperatura densidad composicioacuten quiacutemica etc estaacuten bien definidas y no variacutean
La Termodinaacutemica permite discernir si es posible pasar de un estado de equilibrio a otro pero no la velocidad de dicha transformacioacuten
Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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 funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
FORMATObull ARIAL 12bull INTERLINIADO 15 williamrubergmailcom
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Pero los paraacutemetros macroscoacutepicos solo se pueden medir o tiene valor su medida si es homogeacutenea en todo el sistema lo que solo ocurre si estaacuten en equilibrio La termodinaacutemica por tanto se ocupa de los estados de equilibrio y en funcioacuten de sus diferencias determina la cantidad de energiacutea transferida de un estado al otro pero sin considerar el mecanismo de flujo de calor ni la velocidad a la que se ha realizado la transferencia En un anaacutelisis termodinaacutemico se sabe la cantidad de energiacutea necesaria para pasar de un estado al otro pero no se conoce cuaacutento tiempo ha requerido la transferencia porque el tiempo no se incluye como variable en el anaacutelisis1 Esto es objetivo de otra rama de la ciencia que se conoce como Transferencia de calor
La Transferencia de calor como ciencia tiene como objetivo calcular La velocidad de transferencia de calor para una diferencia de temperatura especiacutefica y no es una misioacuten baladiacute ya que casi cualquier rama de la ingenieriacutea encuentra problemas de transferencia de calor que no podriacutean ser resueltos con uacutenicamente el razonamiento termodinaacutemico
Imagen tomada de una computacioacuten de conveccioacuten en el manto terrestre los colores rojizos representan aacutereas maacutes calientes y los maacutes azules las maacutes friacuteas
bullConduccioacuten Es la transferencia de calor que se produce a traveacutes de un medio material por contacto directo entre sus partiacuteculas cuando existe una diferencia de temperatura y en virtud del movimiento de sus micro partiacuteculas El medio puede ser soacutelido liacutequido o gaseoso aunque en liacutequidos y gases solo se da la conduccioacuten pura si se excluye la posibilidad de conveccioacuten La cantidad de calor que se transfiere por conduccioacuten viene dada por la ley de Fourier Esta ley afirma que la velocidad de conduccioacuten de calor a traveacutes de un cuerpo por unidad de seccioacuten transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo
La conduccioacuten de calor o transmisioacuten de calor por conduccioacuten es un proceso de transmisioacuten de calor basado en el contacto directo entre los cuerpos sin intercambio de materia por el que el calor fluye desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura que estaacute en contacto con el primero La propiedad fiacutesica de los materiales que determina su capacidad para conducir el calor es la conductividad teacutermica La propiedad inversa de la conductividad teacutermica es la resistividad teacutermica que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor
El segundo principio de la termodinaacutemica determina que el calor soacutelo puede fluir de un cuerpo maacutes caliente a uno maacutes friacuteo la ley de Fourier fija cuantitativamente la relacioacuten entre el flujo y las variaciones espacial y temporal de la temperatura
bullConveccioacuten La transmisioacuten de calor por conveccioacuten se compone de dos mecanismos simultaacuteneos El primero es la transferencia de calor por conduccioacuten debida al movimiento molecular a la que se superpone la transferencia de energiacutea por el movimiento de fracciones del fluido que se mueven accionadas por una fuerza externa que puede ser un gradiente de densidad (conveccioacuten natural) o una diferencia de presioacuten producida mecaacutenicamente (conveccioacuten forzada) o una combinacioacuten de ambas La cantidad de calor transferido por conveccioacuten se rige por la ley de enfriamiento de Newton
bullRadiacioacuten se puede atribuir a cambios en las configuraciones electroacutenicas de los aacutetomos o moleacuteculas constitutivas En ausencia de un medio existe una transferencia neta de calor por radiacioacuten entre dos superficies a diferentes temperaturas debido a que todas las superficies con temperatura finita emiten energiacutea en forma de ondas electromagneacuteticas El calor emitido por una superficie en la unidad de tiempo viene dado por la ley de Stefan-Boltzmann
Se denomina radiacioacuten teacutermica o radiacioacuten caloriacutefica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura Todos los cuerpos emiten radiacioacuten electromagneacutetica siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada En lo que respecta a la transferencia de calor la radiacioacuten relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 01microm a 1000microm abarcando por tanto la regioacuten infrarroja del espectro electromagneacuteticoLa materia en un estado condensado (soacutelido o liacutequido) emite un espectro de radiacioacuten continuo La frecuencia de onda emitida por radiacioacuten teacutermica es una funcioacuten de densidad de probabilidad que depende solo de la temperatura
bullLa radiacioacuten infrarroja de un radiador domeacutestico comuacuten o de un calefactor eleacutectrico es un ejemplo de radiacioacuten teacutermicabullLa luz emitida por una laacutempara incandescente La radiacioacuten teacutermica se produce cuando el calor del movimiento de partiacuteculas cargadas dentro de los aacutetomos se convierte en radiacioacuten electromagneacutetica
bullLa aplicacioacuten de la ley de Planck al Sol con una temperatura superficial de unos 6000 K nos lleva a que el 99 de la radiacioacuten emitida estaacute entre las
longitudes de onda 015 (microacutemetros o micras) y 4 micras y su maacuteximo dado por la ley de Wien ocurre a 0475 micras Como 1 Aring = 10-10 m = 10-
4micras resulta que el Sol emite en un rango de 1500 Aring hasta 40000 Aring y el maacuteximo ocurre a 4750 Aring La luz visible se extiende desde 4000 Aring a 7400 Aring La radiacioacuten ultravioleta u ondas cortas iriacutean desde los 1500 Aring a los 4000 Aring y la radiacioacuten infrarroja o radiacioacuten teacutermica u ondas largas desde las 074 micras a 4 micras
Tipos de radiaciones
bullradiacioacuten de radiobullradiacioacuten de microondasbullradiacioacuten infrarrojabullradiacioacuten visiblebullradiacioacuten ultravioletabullradiacioacuten Xbullradiacioacuten gamma (es la que emite maacutes energiacutea y la maacutes peligrosa)
Comemos alimentos
Para mantener nuestras funciones bioloacutegicas
Quemamos combustibles
Para producir energiacutea eleacutectricaPara calentar nuestras casasPara generar potencia en aviones trenes automoacuteviles
Usamos cubitos de hielo
Para enfriar bebidas
Usamos calor Para convertir masa cruda en pan horneado
Todos estos ejemplos nos indican que las reacciones quiacutemicas tienen algo en comuacuten
Las reacciones quiacutemicas implican cambios de energiacuteaLa combustioacuten de la gasolina libera energiacutea
La separacioacuten del agua en hidroacutegeno y oxiacutegeno requiere energiacutea
El estudio de la energiacutea y sus transformaciones se
conoce como TERMO DINAacuteMICAThermeldquocalorrdquo
DynamisldquoPotenciardquo
La invencioacuten del termoacutemetro se atribuye a Galileo aunque el termoacutemetro sellado no aparecioacute hasta 1650
Los oriacutegenes de la Termodinaacutemica como ciencia podriacuteanestablecerse en la eacutepoca de la invencioacuten del termoacutemetro quese atribuye a Galileo En reacciones que se desarrollan bajo condiciones controladas la medicioacuten de las variaciones de temperatura permite deducir los intercambios de calor (calores de reaccioacuten)
Termoacutemetro de cristal basado en el principio fiacutesico de que la densidad de un liacutequido cambia seguacuten la temperatura descubierto por Galileo Galilei (1564-1642) En funcioacuten de los cambios de temperatura las bolas de cristal que se encuentran en el interior del termoacutemetro se desplazan hacia arriba o abajo generandose dos zonas una en la parte superior y otra en la parte inferiorCada bola lleva una placa grabada con la temperatura de correspondencia con la densidad del liacutequidoLa temperatura ambiente es mostrada por la bola mas baja del conjunto de bolas que se encuentra en la zona superior del termoacutemetroRango de 18 a 24ordmC (de 2 en 2 grados)
Los termoacutemetros modernos de alcohol y mercurio fueron inventados por el fiacutesico alemaacuten Gabriel Fahrenheit quien tambieacuten propuso la primera escala de temperaturas ampliamente adoptada que lleva su nombre Punto de fusioacuten del hielo 32ordmF
Punto de ebullicioacuten del agua 212ordmF
212-32=180(La magnitud del grado Fahrenheit es menor que la del grado centiacutegrado)
La escala centiacutegrada o Celsius fue disentildeada por el astroacutenomo sueco
Es utilizada en la mayoriacutea de los paiacutesesEl punto de congelacioacuten es 0 grados (0 ordmC) y el punto de ebullicioacuten es de 100 ordmC
Anders Celsius
Por uacuteltimo la escala de temperaturas absolutas o escala Kelvin tiene su cero a una temperatura de ndash27315ordmC 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 expresioacutenTK = TC + 27315
Este aacuterea de estudio se desarrolloacute mucho con la revolucioacuten industrial
Interesaba conocer las relaciones entre calor trabajo y el contenido energeacutetico de los combustibles
Maximizar el rendimiento de las maacutequinas de vapor
Cientiacuteficos quedestacaron por la realizacioacuten de investigaciones y descubrimientos muy relevantesen relacioacuten a la Termodinaacutemica fueron entre otros Boltzmann Carnot ClapeyronClausius Gibbs Helmholtz Hess Joule Kelvin Maxwellhellip
Sistema y medio ambiente Convenio de signos de
los intercambios energeacuteticos Condiciones estaacutendar
Pueden ocurrir intercambios demateria yo energiacutea entre sistema y medio ambiente pero eacutestos deben ser controlados
ldquoexperimentordquo
sistema
medio ambiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema
son positivos
Tanto el calor perdido
por el sistema como el
trabajo efectuado por
el sistema sobre su
entorno son negativos
El convenio de signos para los intercambios de energiacutea en forma de calor y trabajo entre sistema y medio ambiente es el siguiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema son positivos aumentan su energiacutea
Tanto el calor perdido por el sistema como el trabajo efectuado por el sistema sobre su entorno son negativos reducen la energiacutea del sistema
qgt0wgt0
qlt0wlt0
qgt0wgt0
qlt0wlt0
E
EL QUIacuteMICO ES EL SISTEMA y lo ve desde dentro
El FIacuteSICO lo ve desde fuera
El quiacutemico ve el sistema desde dentro como si EL fuese el sistema
Por ejemplo un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre ambas partes del universo
La Termodinaacutemica se relaciona con los estados de equilibrioUn estado de equilibrio es aqueacutel en el que las propiedades macroscoacutepicas del sistema temperatura densidad composicioacuten quiacutemica etc estaacuten bien definidas y no variacutean
La Termodinaacutemica permite discernir si es posible pasar de un estado de equilibrio a otro pero no la velocidad de dicha transformacioacuten
Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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
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Una funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
FORMATObull ARIAL 12bull INTERLINIADO 15 williamrubergmailcom
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La Transferencia de calor como ciencia tiene como objetivo calcular La velocidad de transferencia de calor para una diferencia de temperatura especiacutefica y no es una misioacuten baladiacute ya que casi cualquier rama de la ingenieriacutea encuentra problemas de transferencia de calor que no podriacutean ser resueltos con uacutenicamente el razonamiento termodinaacutemico
Imagen tomada de una computacioacuten de conveccioacuten en el manto terrestre los colores rojizos representan aacutereas maacutes calientes y los maacutes azules las maacutes friacuteas
bullConduccioacuten Es la transferencia de calor que se produce a traveacutes de un medio material por contacto directo entre sus partiacuteculas cuando existe una diferencia de temperatura y en virtud del movimiento de sus micro partiacuteculas El medio puede ser soacutelido liacutequido o gaseoso aunque en liacutequidos y gases solo se da la conduccioacuten pura si se excluye la posibilidad de conveccioacuten La cantidad de calor que se transfiere por conduccioacuten viene dada por la ley de Fourier Esta ley afirma que la velocidad de conduccioacuten de calor a traveacutes de un cuerpo por unidad de seccioacuten transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo
La conduccioacuten de calor o transmisioacuten de calor por conduccioacuten es un proceso de transmisioacuten de calor basado en el contacto directo entre los cuerpos sin intercambio de materia por el que el calor fluye desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura que estaacute en contacto con el primero La propiedad fiacutesica de los materiales que determina su capacidad para conducir el calor es la conductividad teacutermica La propiedad inversa de la conductividad teacutermica es la resistividad teacutermica que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor
El segundo principio de la termodinaacutemica determina que el calor soacutelo puede fluir de un cuerpo maacutes caliente a uno maacutes friacuteo la ley de Fourier fija cuantitativamente la relacioacuten entre el flujo y las variaciones espacial y temporal de la temperatura
bullConveccioacuten La transmisioacuten de calor por conveccioacuten se compone de dos mecanismos simultaacuteneos El primero es la transferencia de calor por conduccioacuten debida al movimiento molecular a la que se superpone la transferencia de energiacutea por el movimiento de fracciones del fluido que se mueven accionadas por una fuerza externa que puede ser un gradiente de densidad (conveccioacuten natural) o una diferencia de presioacuten producida mecaacutenicamente (conveccioacuten forzada) o una combinacioacuten de ambas La cantidad de calor transferido por conveccioacuten se rige por la ley de enfriamiento de Newton
bullRadiacioacuten se puede atribuir a cambios en las configuraciones electroacutenicas de los aacutetomos o moleacuteculas constitutivas En ausencia de un medio existe una transferencia neta de calor por radiacioacuten entre dos superficies a diferentes temperaturas debido a que todas las superficies con temperatura finita emiten energiacutea en forma de ondas electromagneacuteticas El calor emitido por una superficie en la unidad de tiempo viene dado por la ley de Stefan-Boltzmann
Se denomina radiacioacuten teacutermica o radiacioacuten caloriacutefica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura Todos los cuerpos emiten radiacioacuten electromagneacutetica siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada En lo que respecta a la transferencia de calor la radiacioacuten relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 01microm a 1000microm abarcando por tanto la regioacuten infrarroja del espectro electromagneacuteticoLa materia en un estado condensado (soacutelido o liacutequido) emite un espectro de radiacioacuten continuo La frecuencia de onda emitida por radiacioacuten teacutermica es una funcioacuten de densidad de probabilidad que depende solo de la temperatura
bullLa radiacioacuten infrarroja de un radiador domeacutestico comuacuten o de un calefactor eleacutectrico es un ejemplo de radiacioacuten teacutermicabullLa luz emitida por una laacutempara incandescente La radiacioacuten teacutermica se produce cuando el calor del movimiento de partiacuteculas cargadas dentro de los aacutetomos se convierte en radiacioacuten electromagneacutetica
bullLa aplicacioacuten de la ley de Planck al Sol con una temperatura superficial de unos 6000 K nos lleva a que el 99 de la radiacioacuten emitida estaacute entre las
longitudes de onda 015 (microacutemetros o micras) y 4 micras y su maacuteximo dado por la ley de Wien ocurre a 0475 micras Como 1 Aring = 10-10 m = 10-
4micras resulta que el Sol emite en un rango de 1500 Aring hasta 40000 Aring y el maacuteximo ocurre a 4750 Aring La luz visible se extiende desde 4000 Aring a 7400 Aring La radiacioacuten ultravioleta u ondas cortas iriacutean desde los 1500 Aring a los 4000 Aring y la radiacioacuten infrarroja o radiacioacuten teacutermica u ondas largas desde las 074 micras a 4 micras
Tipos de radiaciones
bullradiacioacuten de radiobullradiacioacuten de microondasbullradiacioacuten infrarrojabullradiacioacuten visiblebullradiacioacuten ultravioletabullradiacioacuten Xbullradiacioacuten gamma (es la que emite maacutes energiacutea y la maacutes peligrosa)
Comemos alimentos
Para mantener nuestras funciones bioloacutegicas
Quemamos combustibles
Para producir energiacutea eleacutectricaPara calentar nuestras casasPara generar potencia en aviones trenes automoacuteviles
Usamos cubitos de hielo
Para enfriar bebidas
Usamos calor Para convertir masa cruda en pan horneado
Todos estos ejemplos nos indican que las reacciones quiacutemicas tienen algo en comuacuten
Las reacciones quiacutemicas implican cambios de energiacuteaLa combustioacuten de la gasolina libera energiacutea
La separacioacuten del agua en hidroacutegeno y oxiacutegeno requiere energiacutea
El estudio de la energiacutea y sus transformaciones se
conoce como TERMO DINAacuteMICAThermeldquocalorrdquo
DynamisldquoPotenciardquo
La invencioacuten del termoacutemetro se atribuye a Galileo aunque el termoacutemetro sellado no aparecioacute hasta 1650
Los oriacutegenes de la Termodinaacutemica como ciencia podriacuteanestablecerse en la eacutepoca de la invencioacuten del termoacutemetro quese atribuye a Galileo En reacciones que se desarrollan bajo condiciones controladas la medicioacuten de las variaciones de temperatura permite deducir los intercambios de calor (calores de reaccioacuten)
Termoacutemetro de cristal basado en el principio fiacutesico de que la densidad de un liacutequido cambia seguacuten la temperatura descubierto por Galileo Galilei (1564-1642) En funcioacuten de los cambios de temperatura las bolas de cristal que se encuentran en el interior del termoacutemetro se desplazan hacia arriba o abajo generandose dos zonas una en la parte superior y otra en la parte inferiorCada bola lleva una placa grabada con la temperatura de correspondencia con la densidad del liacutequidoLa temperatura ambiente es mostrada por la bola mas baja del conjunto de bolas que se encuentra en la zona superior del termoacutemetroRango de 18 a 24ordmC (de 2 en 2 grados)
Los termoacutemetros modernos de alcohol y mercurio fueron inventados por el fiacutesico alemaacuten Gabriel Fahrenheit quien tambieacuten propuso la primera escala de temperaturas ampliamente adoptada que lleva su nombre Punto de fusioacuten del hielo 32ordmF
Punto de ebullicioacuten del agua 212ordmF
212-32=180(La magnitud del grado Fahrenheit es menor que la del grado centiacutegrado)
La escala centiacutegrada o Celsius fue disentildeada por el astroacutenomo sueco
Es utilizada en la mayoriacutea de los paiacutesesEl punto de congelacioacuten es 0 grados (0 ordmC) y el punto de ebullicioacuten es de 100 ordmC
Anders Celsius
Por uacuteltimo la escala de temperaturas absolutas o escala Kelvin tiene su cero a una temperatura de ndash27315ordmC 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 expresioacutenTK = TC + 27315
Este aacuterea de estudio se desarrolloacute mucho con la revolucioacuten industrial
Interesaba conocer las relaciones entre calor trabajo y el contenido energeacutetico de los combustibles
Maximizar el rendimiento de las maacutequinas de vapor
Cientiacuteficos quedestacaron por la realizacioacuten de investigaciones y descubrimientos muy relevantesen relacioacuten a la Termodinaacutemica fueron entre otros Boltzmann Carnot ClapeyronClausius Gibbs Helmholtz Hess Joule Kelvin Maxwellhellip
Sistema y medio ambiente Convenio de signos de
los intercambios energeacuteticos Condiciones estaacutendar
Pueden ocurrir intercambios demateria yo energiacutea entre sistema y medio ambiente pero eacutestos deben ser controlados
ldquoexperimentordquo
sistema
medio ambiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema
son positivos
Tanto el calor perdido
por el sistema como el
trabajo efectuado por
el sistema sobre su
entorno son negativos
El convenio de signos para los intercambios de energiacutea en forma de calor y trabajo entre sistema y medio ambiente es el siguiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema son positivos aumentan su energiacutea
Tanto el calor perdido por el sistema como el trabajo efectuado por el sistema sobre su entorno son negativos reducen la energiacutea del sistema
qgt0wgt0
qlt0wlt0
qgt0wgt0
qlt0wlt0
E
EL QUIacuteMICO ES EL SISTEMA y lo ve desde dentro
El FIacuteSICO lo ve desde fuera
El quiacutemico ve el sistema desde dentro como si EL fuese el sistema
Por ejemplo un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre ambas partes del universo
La Termodinaacutemica se relaciona con los estados de equilibrioUn estado de equilibrio es aqueacutel en el que las propiedades macroscoacutepicas del sistema temperatura densidad composicioacuten quiacutemica etc estaacuten bien definidas y no variacutean
La Termodinaacutemica permite discernir si es posible pasar de un estado de equilibrio a otro pero no la velocidad de dicha transformacioacuten
Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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
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Una funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
FORMATObull ARIAL 12bull INTERLINIADO 15 williamrubergmailcom
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Imagen tomada de una computacioacuten de conveccioacuten en el manto terrestre los colores rojizos representan aacutereas maacutes calientes y los maacutes azules las maacutes friacuteas
bullConduccioacuten Es la transferencia de calor que se produce a traveacutes de un medio material por contacto directo entre sus partiacuteculas cuando existe una diferencia de temperatura y en virtud del movimiento de sus micro partiacuteculas El medio puede ser soacutelido liacutequido o gaseoso aunque en liacutequidos y gases solo se da la conduccioacuten pura si se excluye la posibilidad de conveccioacuten La cantidad de calor que se transfiere por conduccioacuten viene dada por la ley de Fourier Esta ley afirma que la velocidad de conduccioacuten de calor a traveacutes de un cuerpo por unidad de seccioacuten transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo
La conduccioacuten de calor o transmisioacuten de calor por conduccioacuten es un proceso de transmisioacuten de calor basado en el contacto directo entre los cuerpos sin intercambio de materia por el que el calor fluye desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura que estaacute en contacto con el primero La propiedad fiacutesica de los materiales que determina su capacidad para conducir el calor es la conductividad teacutermica La propiedad inversa de la conductividad teacutermica es la resistividad teacutermica que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor
El segundo principio de la termodinaacutemica determina que el calor soacutelo puede fluir de un cuerpo maacutes caliente a uno maacutes friacuteo la ley de Fourier fija cuantitativamente la relacioacuten entre el flujo y las variaciones espacial y temporal de la temperatura
bullConveccioacuten La transmisioacuten de calor por conveccioacuten se compone de dos mecanismos simultaacuteneos El primero es la transferencia de calor por conduccioacuten debida al movimiento molecular a la que se superpone la transferencia de energiacutea por el movimiento de fracciones del fluido que se mueven accionadas por una fuerza externa que puede ser un gradiente de densidad (conveccioacuten natural) o una diferencia de presioacuten producida mecaacutenicamente (conveccioacuten forzada) o una combinacioacuten de ambas La cantidad de calor transferido por conveccioacuten se rige por la ley de enfriamiento de Newton
bullRadiacioacuten se puede atribuir a cambios en las configuraciones electroacutenicas de los aacutetomos o moleacuteculas constitutivas En ausencia de un medio existe una transferencia neta de calor por radiacioacuten entre dos superficies a diferentes temperaturas debido a que todas las superficies con temperatura finita emiten energiacutea en forma de ondas electromagneacuteticas El calor emitido por una superficie en la unidad de tiempo viene dado por la ley de Stefan-Boltzmann
Se denomina radiacioacuten teacutermica o radiacioacuten caloriacutefica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura Todos los cuerpos emiten radiacioacuten electromagneacutetica siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada En lo que respecta a la transferencia de calor la radiacioacuten relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 01microm a 1000microm abarcando por tanto la regioacuten infrarroja del espectro electromagneacuteticoLa materia en un estado condensado (soacutelido o liacutequido) emite un espectro de radiacioacuten continuo La frecuencia de onda emitida por radiacioacuten teacutermica es una funcioacuten de densidad de probabilidad que depende solo de la temperatura
bullLa radiacioacuten infrarroja de un radiador domeacutestico comuacuten o de un calefactor eleacutectrico es un ejemplo de radiacioacuten teacutermicabullLa luz emitida por una laacutempara incandescente La radiacioacuten teacutermica se produce cuando el calor del movimiento de partiacuteculas cargadas dentro de los aacutetomos se convierte en radiacioacuten electromagneacutetica
bullLa aplicacioacuten de la ley de Planck al Sol con una temperatura superficial de unos 6000 K nos lleva a que el 99 de la radiacioacuten emitida estaacute entre las
longitudes de onda 015 (microacutemetros o micras) y 4 micras y su maacuteximo dado por la ley de Wien ocurre a 0475 micras Como 1 Aring = 10-10 m = 10-
4micras resulta que el Sol emite en un rango de 1500 Aring hasta 40000 Aring y el maacuteximo ocurre a 4750 Aring La luz visible se extiende desde 4000 Aring a 7400 Aring La radiacioacuten ultravioleta u ondas cortas iriacutean desde los 1500 Aring a los 4000 Aring y la radiacioacuten infrarroja o radiacioacuten teacutermica u ondas largas desde las 074 micras a 4 micras
Tipos de radiaciones
bullradiacioacuten de radiobullradiacioacuten de microondasbullradiacioacuten infrarrojabullradiacioacuten visiblebullradiacioacuten ultravioletabullradiacioacuten Xbullradiacioacuten gamma (es la que emite maacutes energiacutea y la maacutes peligrosa)
Comemos alimentos
Para mantener nuestras funciones bioloacutegicas
Quemamos combustibles
Para producir energiacutea eleacutectricaPara calentar nuestras casasPara generar potencia en aviones trenes automoacuteviles
Usamos cubitos de hielo
Para enfriar bebidas
Usamos calor Para convertir masa cruda en pan horneado
Todos estos ejemplos nos indican que las reacciones quiacutemicas tienen algo en comuacuten
Las reacciones quiacutemicas implican cambios de energiacuteaLa combustioacuten de la gasolina libera energiacutea
La separacioacuten del agua en hidroacutegeno y oxiacutegeno requiere energiacutea
El estudio de la energiacutea y sus transformaciones se
conoce como TERMO DINAacuteMICAThermeldquocalorrdquo
DynamisldquoPotenciardquo
La invencioacuten del termoacutemetro se atribuye a Galileo aunque el termoacutemetro sellado no aparecioacute hasta 1650
Los oriacutegenes de la Termodinaacutemica como ciencia podriacuteanestablecerse en la eacutepoca de la invencioacuten del termoacutemetro quese atribuye a Galileo En reacciones que se desarrollan bajo condiciones controladas la medicioacuten de las variaciones de temperatura permite deducir los intercambios de calor (calores de reaccioacuten)
Termoacutemetro de cristal basado en el principio fiacutesico de que la densidad de un liacutequido cambia seguacuten la temperatura descubierto por Galileo Galilei (1564-1642) En funcioacuten de los cambios de temperatura las bolas de cristal que se encuentran en el interior del termoacutemetro se desplazan hacia arriba o abajo generandose dos zonas una en la parte superior y otra en la parte inferiorCada bola lleva una placa grabada con la temperatura de correspondencia con la densidad del liacutequidoLa temperatura ambiente es mostrada por la bola mas baja del conjunto de bolas que se encuentra en la zona superior del termoacutemetroRango de 18 a 24ordmC (de 2 en 2 grados)
Los termoacutemetros modernos de alcohol y mercurio fueron inventados por el fiacutesico alemaacuten Gabriel Fahrenheit quien tambieacuten propuso la primera escala de temperaturas ampliamente adoptada que lleva su nombre Punto de fusioacuten del hielo 32ordmF
Punto de ebullicioacuten del agua 212ordmF
212-32=180(La magnitud del grado Fahrenheit es menor que la del grado centiacutegrado)
La escala centiacutegrada o Celsius fue disentildeada por el astroacutenomo sueco
Es utilizada en la mayoriacutea de los paiacutesesEl punto de congelacioacuten es 0 grados (0 ordmC) y el punto de ebullicioacuten es de 100 ordmC
Anders Celsius
Por uacuteltimo la escala de temperaturas absolutas o escala Kelvin tiene su cero a una temperatura de ndash27315ordmC 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 expresioacutenTK = TC + 27315
Este aacuterea de estudio se desarrolloacute mucho con la revolucioacuten industrial
Interesaba conocer las relaciones entre calor trabajo y el contenido energeacutetico de los combustibles
Maximizar el rendimiento de las maacutequinas de vapor
Cientiacuteficos quedestacaron por la realizacioacuten de investigaciones y descubrimientos muy relevantesen relacioacuten a la Termodinaacutemica fueron entre otros Boltzmann Carnot ClapeyronClausius Gibbs Helmholtz Hess Joule Kelvin Maxwellhellip
Sistema y medio ambiente Convenio de signos de
los intercambios energeacuteticos Condiciones estaacutendar
Pueden ocurrir intercambios demateria yo energiacutea entre sistema y medio ambiente pero eacutestos deben ser controlados
ldquoexperimentordquo
sistema
medio ambiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema
son positivos
Tanto el calor perdido
por el sistema como el
trabajo efectuado por
el sistema sobre su
entorno son negativos
El convenio de signos para los intercambios de energiacutea en forma de calor y trabajo entre sistema y medio ambiente es el siguiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema son positivos aumentan su energiacutea
Tanto el calor perdido por el sistema como el trabajo efectuado por el sistema sobre su entorno son negativos reducen la energiacutea del sistema
qgt0wgt0
qlt0wlt0
qgt0wgt0
qlt0wlt0
E
EL QUIacuteMICO ES EL SISTEMA y lo ve desde dentro
El FIacuteSICO lo ve desde fuera
El quiacutemico ve el sistema desde dentro como si EL fuese el sistema
Por ejemplo un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre ambas partes del universo
La Termodinaacutemica se relaciona con los estados de equilibrioUn estado de equilibrio es aqueacutel en el que las propiedades macroscoacutepicas del sistema temperatura densidad composicioacuten quiacutemica etc estaacuten bien definidas y no variacutean
La Termodinaacutemica permite discernir si es posible pasar de un estado de equilibrio a otro pero no la velocidad de dicha transformacioacuten
Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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 funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
FORMATObull ARIAL 12bull INTERLINIADO 15 williamrubergmailcom
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bullConduccioacuten Es la transferencia de calor que se produce a traveacutes de un medio material por contacto directo entre sus partiacuteculas cuando existe una diferencia de temperatura y en virtud del movimiento de sus micro partiacuteculas El medio puede ser soacutelido liacutequido o gaseoso aunque en liacutequidos y gases solo se da la conduccioacuten pura si se excluye la posibilidad de conveccioacuten La cantidad de calor que se transfiere por conduccioacuten viene dada por la ley de Fourier Esta ley afirma que la velocidad de conduccioacuten de calor a traveacutes de un cuerpo por unidad de seccioacuten transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo
La conduccioacuten de calor o transmisioacuten de calor por conduccioacuten es un proceso de transmisioacuten de calor basado en el contacto directo entre los cuerpos sin intercambio de materia por el que el calor fluye desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura que estaacute en contacto con el primero La propiedad fiacutesica de los materiales que determina su capacidad para conducir el calor es la conductividad teacutermica La propiedad inversa de la conductividad teacutermica es la resistividad teacutermica que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor
El segundo principio de la termodinaacutemica determina que el calor soacutelo puede fluir de un cuerpo maacutes caliente a uno maacutes friacuteo la ley de Fourier fija cuantitativamente la relacioacuten entre el flujo y las variaciones espacial y temporal de la temperatura
bullConveccioacuten La transmisioacuten de calor por conveccioacuten se compone de dos mecanismos simultaacuteneos El primero es la transferencia de calor por conduccioacuten debida al movimiento molecular a la que se superpone la transferencia de energiacutea por el movimiento de fracciones del fluido que se mueven accionadas por una fuerza externa que puede ser un gradiente de densidad (conveccioacuten natural) o una diferencia de presioacuten producida mecaacutenicamente (conveccioacuten forzada) o una combinacioacuten de ambas La cantidad de calor transferido por conveccioacuten se rige por la ley de enfriamiento de Newton
bullRadiacioacuten se puede atribuir a cambios en las configuraciones electroacutenicas de los aacutetomos o moleacuteculas constitutivas En ausencia de un medio existe una transferencia neta de calor por radiacioacuten entre dos superficies a diferentes temperaturas debido a que todas las superficies con temperatura finita emiten energiacutea en forma de ondas electromagneacuteticas El calor emitido por una superficie en la unidad de tiempo viene dado por la ley de Stefan-Boltzmann
Se denomina radiacioacuten teacutermica o radiacioacuten caloriacutefica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura Todos los cuerpos emiten radiacioacuten electromagneacutetica siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada En lo que respecta a la transferencia de calor la radiacioacuten relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 01microm a 1000microm abarcando por tanto la regioacuten infrarroja del espectro electromagneacuteticoLa materia en un estado condensado (soacutelido o liacutequido) emite un espectro de radiacioacuten continuo La frecuencia de onda emitida por radiacioacuten teacutermica es una funcioacuten de densidad de probabilidad que depende solo de la temperatura
bullLa radiacioacuten infrarroja de un radiador domeacutestico comuacuten o de un calefactor eleacutectrico es un ejemplo de radiacioacuten teacutermicabullLa luz emitida por una laacutempara incandescente La radiacioacuten teacutermica se produce cuando el calor del movimiento de partiacuteculas cargadas dentro de los aacutetomos se convierte en radiacioacuten electromagneacutetica
bullLa aplicacioacuten de la ley de Planck al Sol con una temperatura superficial de unos 6000 K nos lleva a que el 99 de la radiacioacuten emitida estaacute entre las
longitudes de onda 015 (microacutemetros o micras) y 4 micras y su maacuteximo dado por la ley de Wien ocurre a 0475 micras Como 1 Aring = 10-10 m = 10-
4micras resulta que el Sol emite en un rango de 1500 Aring hasta 40000 Aring y el maacuteximo ocurre a 4750 Aring La luz visible se extiende desde 4000 Aring a 7400 Aring La radiacioacuten ultravioleta u ondas cortas iriacutean desde los 1500 Aring a los 4000 Aring y la radiacioacuten infrarroja o radiacioacuten teacutermica u ondas largas desde las 074 micras a 4 micras
Tipos de radiaciones
bullradiacioacuten de radiobullradiacioacuten de microondasbullradiacioacuten infrarrojabullradiacioacuten visiblebullradiacioacuten ultravioletabullradiacioacuten Xbullradiacioacuten gamma (es la que emite maacutes energiacutea y la maacutes peligrosa)
Comemos alimentos
Para mantener nuestras funciones bioloacutegicas
Quemamos combustibles
Para producir energiacutea eleacutectricaPara calentar nuestras casasPara generar potencia en aviones trenes automoacuteviles
Usamos cubitos de hielo
Para enfriar bebidas
Usamos calor Para convertir masa cruda en pan horneado
Todos estos ejemplos nos indican que las reacciones quiacutemicas tienen algo en comuacuten
Las reacciones quiacutemicas implican cambios de energiacuteaLa combustioacuten de la gasolina libera energiacutea
La separacioacuten del agua en hidroacutegeno y oxiacutegeno requiere energiacutea
El estudio de la energiacutea y sus transformaciones se
conoce como TERMO DINAacuteMICAThermeldquocalorrdquo
DynamisldquoPotenciardquo
La invencioacuten del termoacutemetro se atribuye a Galileo aunque el termoacutemetro sellado no aparecioacute hasta 1650
Los oriacutegenes de la Termodinaacutemica como ciencia podriacuteanestablecerse en la eacutepoca de la invencioacuten del termoacutemetro quese atribuye a Galileo En reacciones que se desarrollan bajo condiciones controladas la medicioacuten de las variaciones de temperatura permite deducir los intercambios de calor (calores de reaccioacuten)
Termoacutemetro de cristal basado en el principio fiacutesico de que la densidad de un liacutequido cambia seguacuten la temperatura descubierto por Galileo Galilei (1564-1642) En funcioacuten de los cambios de temperatura las bolas de cristal que se encuentran en el interior del termoacutemetro se desplazan hacia arriba o abajo generandose dos zonas una en la parte superior y otra en la parte inferiorCada bola lleva una placa grabada con la temperatura de correspondencia con la densidad del liacutequidoLa temperatura ambiente es mostrada por la bola mas baja del conjunto de bolas que se encuentra en la zona superior del termoacutemetroRango de 18 a 24ordmC (de 2 en 2 grados)
Los termoacutemetros modernos de alcohol y mercurio fueron inventados por el fiacutesico alemaacuten Gabriel Fahrenheit quien tambieacuten propuso la primera escala de temperaturas ampliamente adoptada que lleva su nombre Punto de fusioacuten del hielo 32ordmF
Punto de ebullicioacuten del agua 212ordmF
212-32=180(La magnitud del grado Fahrenheit es menor que la del grado centiacutegrado)
La escala centiacutegrada o Celsius fue disentildeada por el astroacutenomo sueco
Es utilizada en la mayoriacutea de los paiacutesesEl punto de congelacioacuten es 0 grados (0 ordmC) y el punto de ebullicioacuten es de 100 ordmC
Anders Celsius
Por uacuteltimo la escala de temperaturas absolutas o escala Kelvin tiene su cero a una temperatura de ndash27315ordmC 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 expresioacutenTK = TC + 27315
Este aacuterea de estudio se desarrolloacute mucho con la revolucioacuten industrial
Interesaba conocer las relaciones entre calor trabajo y el contenido energeacutetico de los combustibles
Maximizar el rendimiento de las maacutequinas de vapor
Cientiacuteficos quedestacaron por la realizacioacuten de investigaciones y descubrimientos muy relevantesen relacioacuten a la Termodinaacutemica fueron entre otros Boltzmann Carnot ClapeyronClausius Gibbs Helmholtz Hess Joule Kelvin Maxwellhellip
Sistema y medio ambiente Convenio de signos de
los intercambios energeacuteticos Condiciones estaacutendar
Pueden ocurrir intercambios demateria yo energiacutea entre sistema y medio ambiente pero eacutestos deben ser controlados
ldquoexperimentordquo
sistema
medio ambiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema
son positivos
Tanto el calor perdido
por el sistema como el
trabajo efectuado por
el sistema sobre su
entorno son negativos
El convenio de signos para los intercambios de energiacutea en forma de calor y trabajo entre sistema y medio ambiente es el siguiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema son positivos aumentan su energiacutea
Tanto el calor perdido por el sistema como el trabajo efectuado por el sistema sobre su entorno son negativos reducen la energiacutea del sistema
qgt0wgt0
qlt0wlt0
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E
EL QUIacuteMICO ES EL SISTEMA y lo ve desde dentro
El FIacuteSICO lo ve desde fuera
El quiacutemico ve el sistema desde dentro como si EL fuese el sistema
Por ejemplo un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre ambas partes del universo
La Termodinaacutemica se relaciona con los estados de equilibrioUn estado de equilibrio es aqueacutel en el que las propiedades macroscoacutepicas del sistema temperatura densidad composicioacuten quiacutemica etc estaacuten bien definidas y no variacutean
La Termodinaacutemica permite discernir si es posible pasar de un estado de equilibrio a otro pero no la velocidad de dicha transformacioacuten
Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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
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Una funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
FORMATObull ARIAL 12bull INTERLINIADO 15 williamrubergmailcom
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La conduccioacuten de calor o transmisioacuten de calor por conduccioacuten es un proceso de transmisioacuten de calor basado en el contacto directo entre los cuerpos sin intercambio de materia por el que el calor fluye desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura que estaacute en contacto con el primero La propiedad fiacutesica de los materiales que determina su capacidad para conducir el calor es la conductividad teacutermica La propiedad inversa de la conductividad teacutermica es la resistividad teacutermica que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor
El segundo principio de la termodinaacutemica determina que el calor soacutelo puede fluir de un cuerpo maacutes caliente a uno maacutes friacuteo la ley de Fourier fija cuantitativamente la relacioacuten entre el flujo y las variaciones espacial y temporal de la temperatura
bullConveccioacuten La transmisioacuten de calor por conveccioacuten se compone de dos mecanismos simultaacuteneos El primero es la transferencia de calor por conduccioacuten debida al movimiento molecular a la que se superpone la transferencia de energiacutea por el movimiento de fracciones del fluido que se mueven accionadas por una fuerza externa que puede ser un gradiente de densidad (conveccioacuten natural) o una diferencia de presioacuten producida mecaacutenicamente (conveccioacuten forzada) o una combinacioacuten de ambas La cantidad de calor transferido por conveccioacuten se rige por la ley de enfriamiento de Newton
bullRadiacioacuten se puede atribuir a cambios en las configuraciones electroacutenicas de los aacutetomos o moleacuteculas constitutivas En ausencia de un medio existe una transferencia neta de calor por radiacioacuten entre dos superficies a diferentes temperaturas debido a que todas las superficies con temperatura finita emiten energiacutea en forma de ondas electromagneacuteticas El calor emitido por una superficie en la unidad de tiempo viene dado por la ley de Stefan-Boltzmann
Se denomina radiacioacuten teacutermica o radiacioacuten caloriacutefica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura Todos los cuerpos emiten radiacioacuten electromagneacutetica siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada En lo que respecta a la transferencia de calor la radiacioacuten relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 01microm a 1000microm abarcando por tanto la regioacuten infrarroja del espectro electromagneacuteticoLa materia en un estado condensado (soacutelido o liacutequido) emite un espectro de radiacioacuten continuo La frecuencia de onda emitida por radiacioacuten teacutermica es una funcioacuten de densidad de probabilidad que depende solo de la temperatura
bullLa radiacioacuten infrarroja de un radiador domeacutestico comuacuten o de un calefactor eleacutectrico es un ejemplo de radiacioacuten teacutermicabullLa luz emitida por una laacutempara incandescente La radiacioacuten teacutermica se produce cuando el calor del movimiento de partiacuteculas cargadas dentro de los aacutetomos se convierte en radiacioacuten electromagneacutetica
bullLa aplicacioacuten de la ley de Planck al Sol con una temperatura superficial de unos 6000 K nos lleva a que el 99 de la radiacioacuten emitida estaacute entre las
longitudes de onda 015 (microacutemetros o micras) y 4 micras y su maacuteximo dado por la ley de Wien ocurre a 0475 micras Como 1 Aring = 10-10 m = 10-
4micras resulta que el Sol emite en un rango de 1500 Aring hasta 40000 Aring y el maacuteximo ocurre a 4750 Aring La luz visible se extiende desde 4000 Aring a 7400 Aring La radiacioacuten ultravioleta u ondas cortas iriacutean desde los 1500 Aring a los 4000 Aring y la radiacioacuten infrarroja o radiacioacuten teacutermica u ondas largas desde las 074 micras a 4 micras
Tipos de radiaciones
bullradiacioacuten de radiobullradiacioacuten de microondasbullradiacioacuten infrarrojabullradiacioacuten visiblebullradiacioacuten ultravioletabullradiacioacuten Xbullradiacioacuten gamma (es la que emite maacutes energiacutea y la maacutes peligrosa)
Comemos alimentos
Para mantener nuestras funciones bioloacutegicas
Quemamos combustibles
Para producir energiacutea eleacutectricaPara calentar nuestras casasPara generar potencia en aviones trenes automoacuteviles
Usamos cubitos de hielo
Para enfriar bebidas
Usamos calor Para convertir masa cruda en pan horneado
Todos estos ejemplos nos indican que las reacciones quiacutemicas tienen algo en comuacuten
Las reacciones quiacutemicas implican cambios de energiacuteaLa combustioacuten de la gasolina libera energiacutea
La separacioacuten del agua en hidroacutegeno y oxiacutegeno requiere energiacutea
El estudio de la energiacutea y sus transformaciones se
conoce como TERMO DINAacuteMICAThermeldquocalorrdquo
DynamisldquoPotenciardquo
La invencioacuten del termoacutemetro se atribuye a Galileo aunque el termoacutemetro sellado no aparecioacute hasta 1650
Los oriacutegenes de la Termodinaacutemica como ciencia podriacuteanestablecerse en la eacutepoca de la invencioacuten del termoacutemetro quese atribuye a Galileo En reacciones que se desarrollan bajo condiciones controladas la medicioacuten de las variaciones de temperatura permite deducir los intercambios de calor (calores de reaccioacuten)
Termoacutemetro de cristal basado en el principio fiacutesico de que la densidad de un liacutequido cambia seguacuten la temperatura descubierto por Galileo Galilei (1564-1642) En funcioacuten de los cambios de temperatura las bolas de cristal que se encuentran en el interior del termoacutemetro se desplazan hacia arriba o abajo generandose dos zonas una en la parte superior y otra en la parte inferiorCada bola lleva una placa grabada con la temperatura de correspondencia con la densidad del liacutequidoLa temperatura ambiente es mostrada por la bola mas baja del conjunto de bolas que se encuentra en la zona superior del termoacutemetroRango de 18 a 24ordmC (de 2 en 2 grados)
Los termoacutemetros modernos de alcohol y mercurio fueron inventados por el fiacutesico alemaacuten Gabriel Fahrenheit quien tambieacuten propuso la primera escala de temperaturas ampliamente adoptada que lleva su nombre Punto de fusioacuten del hielo 32ordmF
Punto de ebullicioacuten del agua 212ordmF
212-32=180(La magnitud del grado Fahrenheit es menor que la del grado centiacutegrado)
La escala centiacutegrada o Celsius fue disentildeada por el astroacutenomo sueco
Es utilizada en la mayoriacutea de los paiacutesesEl punto de congelacioacuten es 0 grados (0 ordmC) y el punto de ebullicioacuten es de 100 ordmC
Anders Celsius
Por uacuteltimo la escala de temperaturas absolutas o escala Kelvin tiene su cero a una temperatura de ndash27315ordmC 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 expresioacutenTK = TC + 27315
Este aacuterea de estudio se desarrolloacute mucho con la revolucioacuten industrial
Interesaba conocer las relaciones entre calor trabajo y el contenido energeacutetico de los combustibles
Maximizar el rendimiento de las maacutequinas de vapor
Cientiacuteficos quedestacaron por la realizacioacuten de investigaciones y descubrimientos muy relevantesen relacioacuten a la Termodinaacutemica fueron entre otros Boltzmann Carnot ClapeyronClausius Gibbs Helmholtz Hess Joule Kelvin Maxwellhellip
Sistema y medio ambiente Convenio de signos de
los intercambios energeacuteticos Condiciones estaacutendar
Pueden ocurrir intercambios demateria yo energiacutea entre sistema y medio ambiente pero eacutestos deben ser controlados
ldquoexperimentordquo
sistema
medio ambiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema
son positivos
Tanto el calor perdido
por el sistema como el
trabajo efectuado por
el sistema sobre su
entorno son negativos
El convenio de signos para los intercambios de energiacutea en forma de calor y trabajo entre sistema y medio ambiente es el siguiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema son positivos aumentan su energiacutea
Tanto el calor perdido por el sistema como el trabajo efectuado por el sistema sobre su entorno son negativos reducen la energiacutea del sistema
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qlt0wlt0
E
EL QUIacuteMICO ES EL SISTEMA y lo ve desde dentro
El FIacuteSICO lo ve desde fuera
El quiacutemico ve el sistema desde dentro como si EL fuese el sistema
Por ejemplo un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre ambas partes del universo
La Termodinaacutemica se relaciona con los estados de equilibrioUn estado de equilibrio es aqueacutel en el que las propiedades macroscoacutepicas del sistema temperatura densidad composicioacuten quiacutemica etc estaacuten bien definidas y no variacutean
La Termodinaacutemica permite discernir si es posible pasar de un estado de equilibrio a otro pero no la velocidad de dicha transformacioacuten
Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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
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Una funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
FORMATObull ARIAL 12bull INTERLINIADO 15 williamrubergmailcom
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bullConveccioacuten La transmisioacuten de calor por conveccioacuten se compone de dos mecanismos simultaacuteneos El primero es la transferencia de calor por conduccioacuten debida al movimiento molecular a la que se superpone la transferencia de energiacutea por el movimiento de fracciones del fluido que se mueven accionadas por una fuerza externa que puede ser un gradiente de densidad (conveccioacuten natural) o una diferencia de presioacuten producida mecaacutenicamente (conveccioacuten forzada) o una combinacioacuten de ambas La cantidad de calor transferido por conveccioacuten se rige por la ley de enfriamiento de Newton
bullRadiacioacuten se puede atribuir a cambios en las configuraciones electroacutenicas de los aacutetomos o moleacuteculas constitutivas En ausencia de un medio existe una transferencia neta de calor por radiacioacuten entre dos superficies a diferentes temperaturas debido a que todas las superficies con temperatura finita emiten energiacutea en forma de ondas electromagneacuteticas El calor emitido por una superficie en la unidad de tiempo viene dado por la ley de Stefan-Boltzmann
Se denomina radiacioacuten teacutermica o radiacioacuten caloriacutefica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura Todos los cuerpos emiten radiacioacuten electromagneacutetica siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada En lo que respecta a la transferencia de calor la radiacioacuten relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 01microm a 1000microm abarcando por tanto la regioacuten infrarroja del espectro electromagneacuteticoLa materia en un estado condensado (soacutelido o liacutequido) emite un espectro de radiacioacuten continuo La frecuencia de onda emitida por radiacioacuten teacutermica es una funcioacuten de densidad de probabilidad que depende solo de la temperatura
bullLa radiacioacuten infrarroja de un radiador domeacutestico comuacuten o de un calefactor eleacutectrico es un ejemplo de radiacioacuten teacutermicabullLa luz emitida por una laacutempara incandescente La radiacioacuten teacutermica se produce cuando el calor del movimiento de partiacuteculas cargadas dentro de los aacutetomos se convierte en radiacioacuten electromagneacutetica
bullLa aplicacioacuten de la ley de Planck al Sol con una temperatura superficial de unos 6000 K nos lleva a que el 99 de la radiacioacuten emitida estaacute entre las
longitudes de onda 015 (microacutemetros o micras) y 4 micras y su maacuteximo dado por la ley de Wien ocurre a 0475 micras Como 1 Aring = 10-10 m = 10-
4micras resulta que el Sol emite en un rango de 1500 Aring hasta 40000 Aring y el maacuteximo ocurre a 4750 Aring La luz visible se extiende desde 4000 Aring a 7400 Aring La radiacioacuten ultravioleta u ondas cortas iriacutean desde los 1500 Aring a los 4000 Aring y la radiacioacuten infrarroja o radiacioacuten teacutermica u ondas largas desde las 074 micras a 4 micras
Tipos de radiaciones
bullradiacioacuten de radiobullradiacioacuten de microondasbullradiacioacuten infrarrojabullradiacioacuten visiblebullradiacioacuten ultravioletabullradiacioacuten Xbullradiacioacuten gamma (es la que emite maacutes energiacutea y la maacutes peligrosa)
Comemos alimentos
Para mantener nuestras funciones bioloacutegicas
Quemamos combustibles
Para producir energiacutea eleacutectricaPara calentar nuestras casasPara generar potencia en aviones trenes automoacuteviles
Usamos cubitos de hielo
Para enfriar bebidas
Usamos calor Para convertir masa cruda en pan horneado
Todos estos ejemplos nos indican que las reacciones quiacutemicas tienen algo en comuacuten
Las reacciones quiacutemicas implican cambios de energiacuteaLa combustioacuten de la gasolina libera energiacutea
La separacioacuten del agua en hidroacutegeno y oxiacutegeno requiere energiacutea
El estudio de la energiacutea y sus transformaciones se
conoce como TERMO DINAacuteMICAThermeldquocalorrdquo
DynamisldquoPotenciardquo
La invencioacuten del termoacutemetro se atribuye a Galileo aunque el termoacutemetro sellado no aparecioacute hasta 1650
Los oriacutegenes de la Termodinaacutemica como ciencia podriacuteanestablecerse en la eacutepoca de la invencioacuten del termoacutemetro quese atribuye a Galileo En reacciones que se desarrollan bajo condiciones controladas la medicioacuten de las variaciones de temperatura permite deducir los intercambios de calor (calores de reaccioacuten)
Termoacutemetro de cristal basado en el principio fiacutesico de que la densidad de un liacutequido cambia seguacuten la temperatura descubierto por Galileo Galilei (1564-1642) En funcioacuten de los cambios de temperatura las bolas de cristal que se encuentran en el interior del termoacutemetro se desplazan hacia arriba o abajo generandose dos zonas una en la parte superior y otra en la parte inferiorCada bola lleva una placa grabada con la temperatura de correspondencia con la densidad del liacutequidoLa temperatura ambiente es mostrada por la bola mas baja del conjunto de bolas que se encuentra en la zona superior del termoacutemetroRango de 18 a 24ordmC (de 2 en 2 grados)
Los termoacutemetros modernos de alcohol y mercurio fueron inventados por el fiacutesico alemaacuten Gabriel Fahrenheit quien tambieacuten propuso la primera escala de temperaturas ampliamente adoptada que lleva su nombre Punto de fusioacuten del hielo 32ordmF
Punto de ebullicioacuten del agua 212ordmF
212-32=180(La magnitud del grado Fahrenheit es menor que la del grado centiacutegrado)
La escala centiacutegrada o Celsius fue disentildeada por el astroacutenomo sueco
Es utilizada en la mayoriacutea de los paiacutesesEl punto de congelacioacuten es 0 grados (0 ordmC) y el punto de ebullicioacuten es de 100 ordmC
Anders Celsius
Por uacuteltimo la escala de temperaturas absolutas o escala Kelvin tiene su cero a una temperatura de ndash27315ordmC 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 expresioacutenTK = TC + 27315
Este aacuterea de estudio se desarrolloacute mucho con la revolucioacuten industrial
Interesaba conocer las relaciones entre calor trabajo y el contenido energeacutetico de los combustibles
Maximizar el rendimiento de las maacutequinas de vapor
Cientiacuteficos quedestacaron por la realizacioacuten de investigaciones y descubrimientos muy relevantesen relacioacuten a la Termodinaacutemica fueron entre otros Boltzmann Carnot ClapeyronClausius Gibbs Helmholtz Hess Joule Kelvin Maxwellhellip
Sistema y medio ambiente Convenio de signos de
los intercambios energeacuteticos Condiciones estaacutendar
Pueden ocurrir intercambios demateria yo energiacutea entre sistema y medio ambiente pero eacutestos deben ser controlados
ldquoexperimentordquo
sistema
medio ambiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema
son positivos
Tanto el calor perdido
por el sistema como el
trabajo efectuado por
el sistema sobre su
entorno son negativos
El convenio de signos para los intercambios de energiacutea en forma de calor y trabajo entre sistema y medio ambiente es el siguiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema son positivos aumentan su energiacutea
Tanto el calor perdido por el sistema como el trabajo efectuado por el sistema sobre su entorno son negativos reducen la energiacutea del sistema
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EL QUIacuteMICO ES EL SISTEMA y lo ve desde dentro
El FIacuteSICO lo ve desde fuera
El quiacutemico ve el sistema desde dentro como si EL fuese el sistema
Por ejemplo un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre ambas partes del universo
La Termodinaacutemica se relaciona con los estados de equilibrioUn estado de equilibrio es aqueacutel en el que las propiedades macroscoacutepicas del sistema temperatura densidad composicioacuten quiacutemica etc estaacuten bien definidas y no variacutean
La Termodinaacutemica permite discernir si es posible pasar de un estado de equilibrio a otro pero no la velocidad de dicha transformacioacuten
Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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
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Una funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
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bullRadiacioacuten se puede atribuir a cambios en las configuraciones electroacutenicas de los aacutetomos o moleacuteculas constitutivas En ausencia de un medio existe una transferencia neta de calor por radiacioacuten entre dos superficies a diferentes temperaturas debido a que todas las superficies con temperatura finita emiten energiacutea en forma de ondas electromagneacuteticas El calor emitido por una superficie en la unidad de tiempo viene dado por la ley de Stefan-Boltzmann
Se denomina radiacioacuten teacutermica o radiacioacuten caloriacutefica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura Todos los cuerpos emiten radiacioacuten electromagneacutetica siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada En lo que respecta a la transferencia de calor la radiacioacuten relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 01microm a 1000microm abarcando por tanto la regioacuten infrarroja del espectro electromagneacuteticoLa materia en un estado condensado (soacutelido o liacutequido) emite un espectro de radiacioacuten continuo La frecuencia de onda emitida por radiacioacuten teacutermica es una funcioacuten de densidad de probabilidad que depende solo de la temperatura
bullLa radiacioacuten infrarroja de un radiador domeacutestico comuacuten o de un calefactor eleacutectrico es un ejemplo de radiacioacuten teacutermicabullLa luz emitida por una laacutempara incandescente La radiacioacuten teacutermica se produce cuando el calor del movimiento de partiacuteculas cargadas dentro de los aacutetomos se convierte en radiacioacuten electromagneacutetica
bullLa aplicacioacuten de la ley de Planck al Sol con una temperatura superficial de unos 6000 K nos lleva a que el 99 de la radiacioacuten emitida estaacute entre las
longitudes de onda 015 (microacutemetros o micras) y 4 micras y su maacuteximo dado por la ley de Wien ocurre a 0475 micras Como 1 Aring = 10-10 m = 10-
4micras resulta que el Sol emite en un rango de 1500 Aring hasta 40000 Aring y el maacuteximo ocurre a 4750 Aring La luz visible se extiende desde 4000 Aring a 7400 Aring La radiacioacuten ultravioleta u ondas cortas iriacutean desde los 1500 Aring a los 4000 Aring y la radiacioacuten infrarroja o radiacioacuten teacutermica u ondas largas desde las 074 micras a 4 micras
Tipos de radiaciones
bullradiacioacuten de radiobullradiacioacuten de microondasbullradiacioacuten infrarrojabullradiacioacuten visiblebullradiacioacuten ultravioletabullradiacioacuten Xbullradiacioacuten gamma (es la que emite maacutes energiacutea y la maacutes peligrosa)
Comemos alimentos
Para mantener nuestras funciones bioloacutegicas
Quemamos combustibles
Para producir energiacutea eleacutectricaPara calentar nuestras casasPara generar potencia en aviones trenes automoacuteviles
Usamos cubitos de hielo
Para enfriar bebidas
Usamos calor Para convertir masa cruda en pan horneado
Todos estos ejemplos nos indican que las reacciones quiacutemicas tienen algo en comuacuten
Las reacciones quiacutemicas implican cambios de energiacuteaLa combustioacuten de la gasolina libera energiacutea
La separacioacuten del agua en hidroacutegeno y oxiacutegeno requiere energiacutea
El estudio de la energiacutea y sus transformaciones se
conoce como TERMO DINAacuteMICAThermeldquocalorrdquo
DynamisldquoPotenciardquo
La invencioacuten del termoacutemetro se atribuye a Galileo aunque el termoacutemetro sellado no aparecioacute hasta 1650
Los oriacutegenes de la Termodinaacutemica como ciencia podriacuteanestablecerse en la eacutepoca de la invencioacuten del termoacutemetro quese atribuye a Galileo En reacciones que se desarrollan bajo condiciones controladas la medicioacuten de las variaciones de temperatura permite deducir los intercambios de calor (calores de reaccioacuten)
Termoacutemetro de cristal basado en el principio fiacutesico de que la densidad de un liacutequido cambia seguacuten la temperatura descubierto por Galileo Galilei (1564-1642) En funcioacuten de los cambios de temperatura las bolas de cristal que se encuentran en el interior del termoacutemetro se desplazan hacia arriba o abajo generandose dos zonas una en la parte superior y otra en la parte inferiorCada bola lleva una placa grabada con la temperatura de correspondencia con la densidad del liacutequidoLa temperatura ambiente es mostrada por la bola mas baja del conjunto de bolas que se encuentra en la zona superior del termoacutemetroRango de 18 a 24ordmC (de 2 en 2 grados)
Los termoacutemetros modernos de alcohol y mercurio fueron inventados por el fiacutesico alemaacuten Gabriel Fahrenheit quien tambieacuten propuso la primera escala de temperaturas ampliamente adoptada que lleva su nombre Punto de fusioacuten del hielo 32ordmF
Punto de ebullicioacuten del agua 212ordmF
212-32=180(La magnitud del grado Fahrenheit es menor que la del grado centiacutegrado)
La escala centiacutegrada o Celsius fue disentildeada por el astroacutenomo sueco
Es utilizada en la mayoriacutea de los paiacutesesEl punto de congelacioacuten es 0 grados (0 ordmC) y el punto de ebullicioacuten es de 100 ordmC
Anders Celsius
Por uacuteltimo la escala de temperaturas absolutas o escala Kelvin tiene su cero a una temperatura de ndash27315ordmC 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 expresioacutenTK = TC + 27315
Este aacuterea de estudio se desarrolloacute mucho con la revolucioacuten industrial
Interesaba conocer las relaciones entre calor trabajo y el contenido energeacutetico de los combustibles
Maximizar el rendimiento de las maacutequinas de vapor
Cientiacuteficos quedestacaron por la realizacioacuten de investigaciones y descubrimientos muy relevantesen relacioacuten a la Termodinaacutemica fueron entre otros Boltzmann Carnot ClapeyronClausius Gibbs Helmholtz Hess Joule Kelvin Maxwellhellip
Sistema y medio ambiente Convenio de signos de
los intercambios energeacuteticos Condiciones estaacutendar
Pueden ocurrir intercambios demateria yo energiacutea entre sistema y medio ambiente pero eacutestos deben ser controlados
ldquoexperimentordquo
sistema
medio ambiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema
son positivos
Tanto el calor perdido
por el sistema como el
trabajo efectuado por
el sistema sobre su
entorno son negativos
El convenio de signos para los intercambios de energiacutea en forma de calor y trabajo entre sistema y medio ambiente es el siguiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema son positivos aumentan su energiacutea
Tanto el calor perdido por el sistema como el trabajo efectuado por el sistema sobre su entorno son negativos reducen la energiacutea del sistema
qgt0wgt0
qlt0wlt0
qgt0wgt0
qlt0wlt0
E
EL QUIacuteMICO ES EL SISTEMA y lo ve desde dentro
El FIacuteSICO lo ve desde fuera
El quiacutemico ve el sistema desde dentro como si EL fuese el sistema
Por ejemplo un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre ambas partes del universo
La Termodinaacutemica se relaciona con los estados de equilibrioUn estado de equilibrio es aqueacutel en el que las propiedades macroscoacutepicas del sistema temperatura densidad composicioacuten quiacutemica etc estaacuten bien definidas y no variacutean
La Termodinaacutemica permite discernir si es posible pasar de un estado de equilibrio a otro pero no la velocidad de dicha transformacioacuten
Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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
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Una funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
FORMATObull ARIAL 12bull INTERLINIADO 15 williamrubergmailcom
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Se denomina radiacioacuten teacutermica o radiacioacuten caloriacutefica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura Todos los cuerpos emiten radiacioacuten electromagneacutetica siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada En lo que respecta a la transferencia de calor la radiacioacuten relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 01microm a 1000microm abarcando por tanto la regioacuten infrarroja del espectro electromagneacuteticoLa materia en un estado condensado (soacutelido o liacutequido) emite un espectro de radiacioacuten continuo La frecuencia de onda emitida por radiacioacuten teacutermica es una funcioacuten de densidad de probabilidad que depende solo de la temperatura
bullLa radiacioacuten infrarroja de un radiador domeacutestico comuacuten o de un calefactor eleacutectrico es un ejemplo de radiacioacuten teacutermicabullLa luz emitida por una laacutempara incandescente La radiacioacuten teacutermica se produce cuando el calor del movimiento de partiacuteculas cargadas dentro de los aacutetomos se convierte en radiacioacuten electromagneacutetica
bullLa aplicacioacuten de la ley de Planck al Sol con una temperatura superficial de unos 6000 K nos lleva a que el 99 de la radiacioacuten emitida estaacute entre las
longitudes de onda 015 (microacutemetros o micras) y 4 micras y su maacuteximo dado por la ley de Wien ocurre a 0475 micras Como 1 Aring = 10-10 m = 10-
4micras resulta que el Sol emite en un rango de 1500 Aring hasta 40000 Aring y el maacuteximo ocurre a 4750 Aring La luz visible se extiende desde 4000 Aring a 7400 Aring La radiacioacuten ultravioleta u ondas cortas iriacutean desde los 1500 Aring a los 4000 Aring y la radiacioacuten infrarroja o radiacioacuten teacutermica u ondas largas desde las 074 micras a 4 micras
Tipos de radiaciones
bullradiacioacuten de radiobullradiacioacuten de microondasbullradiacioacuten infrarrojabullradiacioacuten visiblebullradiacioacuten ultravioletabullradiacioacuten Xbullradiacioacuten gamma (es la que emite maacutes energiacutea y la maacutes peligrosa)
Comemos alimentos
Para mantener nuestras funciones bioloacutegicas
Quemamos combustibles
Para producir energiacutea eleacutectricaPara calentar nuestras casasPara generar potencia en aviones trenes automoacuteviles
Usamos cubitos de hielo
Para enfriar bebidas
Usamos calor Para convertir masa cruda en pan horneado
Todos estos ejemplos nos indican que las reacciones quiacutemicas tienen algo en comuacuten
Las reacciones quiacutemicas implican cambios de energiacuteaLa combustioacuten de la gasolina libera energiacutea
La separacioacuten del agua en hidroacutegeno y oxiacutegeno requiere energiacutea
El estudio de la energiacutea y sus transformaciones se
conoce como TERMO DINAacuteMICAThermeldquocalorrdquo
DynamisldquoPotenciardquo
La invencioacuten del termoacutemetro se atribuye a Galileo aunque el termoacutemetro sellado no aparecioacute hasta 1650
Los oriacutegenes de la Termodinaacutemica como ciencia podriacuteanestablecerse en la eacutepoca de la invencioacuten del termoacutemetro quese atribuye a Galileo En reacciones que se desarrollan bajo condiciones controladas la medicioacuten de las variaciones de temperatura permite deducir los intercambios de calor (calores de reaccioacuten)
Termoacutemetro de cristal basado en el principio fiacutesico de que la densidad de un liacutequido cambia seguacuten la temperatura descubierto por Galileo Galilei (1564-1642) En funcioacuten de los cambios de temperatura las bolas de cristal que se encuentran en el interior del termoacutemetro se desplazan hacia arriba o abajo generandose dos zonas una en la parte superior y otra en la parte inferiorCada bola lleva una placa grabada con la temperatura de correspondencia con la densidad del liacutequidoLa temperatura ambiente es mostrada por la bola mas baja del conjunto de bolas que se encuentra en la zona superior del termoacutemetroRango de 18 a 24ordmC (de 2 en 2 grados)
Los termoacutemetros modernos de alcohol y mercurio fueron inventados por el fiacutesico alemaacuten Gabriel Fahrenheit quien tambieacuten propuso la primera escala de temperaturas ampliamente adoptada que lleva su nombre Punto de fusioacuten del hielo 32ordmF
Punto de ebullicioacuten del agua 212ordmF
212-32=180(La magnitud del grado Fahrenheit es menor que la del grado centiacutegrado)
La escala centiacutegrada o Celsius fue disentildeada por el astroacutenomo sueco
Es utilizada en la mayoriacutea de los paiacutesesEl punto de congelacioacuten es 0 grados (0 ordmC) y el punto de ebullicioacuten es de 100 ordmC
Anders Celsius
Por uacuteltimo la escala de temperaturas absolutas o escala Kelvin tiene su cero a una temperatura de ndash27315ordmC 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 expresioacutenTK = TC + 27315
Este aacuterea de estudio se desarrolloacute mucho con la revolucioacuten industrial
Interesaba conocer las relaciones entre calor trabajo y el contenido energeacutetico de los combustibles
Maximizar el rendimiento de las maacutequinas de vapor
Cientiacuteficos quedestacaron por la realizacioacuten de investigaciones y descubrimientos muy relevantesen relacioacuten a la Termodinaacutemica fueron entre otros Boltzmann Carnot ClapeyronClausius Gibbs Helmholtz Hess Joule Kelvin Maxwellhellip
Sistema y medio ambiente Convenio de signos de
los intercambios energeacuteticos Condiciones estaacutendar
Pueden ocurrir intercambios demateria yo energiacutea entre sistema y medio ambiente pero eacutestos deben ser controlados
ldquoexperimentordquo
sistema
medio ambiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema
son positivos
Tanto el calor perdido
por el sistema como el
trabajo efectuado por
el sistema sobre su
entorno son negativos
El convenio de signos para los intercambios de energiacutea en forma de calor y trabajo entre sistema y medio ambiente es el siguiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema son positivos aumentan su energiacutea
Tanto el calor perdido por el sistema como el trabajo efectuado por el sistema sobre su entorno son negativos reducen la energiacutea del sistema
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qlt0wlt0
qgt0wgt0
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E
EL QUIacuteMICO ES EL SISTEMA y lo ve desde dentro
El FIacuteSICO lo ve desde fuera
El quiacutemico ve el sistema desde dentro como si EL fuese el sistema
Por ejemplo un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre ambas partes del universo
La Termodinaacutemica se relaciona con los estados de equilibrioUn estado de equilibrio es aqueacutel en el que las propiedades macroscoacutepicas del sistema temperatura densidad composicioacuten quiacutemica etc estaacuten bien definidas y no variacutean
La Termodinaacutemica permite discernir si es posible pasar de un estado de equilibrio a otro pero no la velocidad de dicha transformacioacuten
Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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
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Una funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
FORMATObull ARIAL 12bull INTERLINIADO 15 williamrubergmailcom
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bullLa radiacioacuten infrarroja de un radiador domeacutestico comuacuten o de un calefactor eleacutectrico es un ejemplo de radiacioacuten teacutermicabullLa luz emitida por una laacutempara incandescente La radiacioacuten teacutermica se produce cuando el calor del movimiento de partiacuteculas cargadas dentro de los aacutetomos se convierte en radiacioacuten electromagneacutetica
bullLa aplicacioacuten de la ley de Planck al Sol con una temperatura superficial de unos 6000 K nos lleva a que el 99 de la radiacioacuten emitida estaacute entre las
longitudes de onda 015 (microacutemetros o micras) y 4 micras y su maacuteximo dado por la ley de Wien ocurre a 0475 micras Como 1 Aring = 10-10 m = 10-
4micras resulta que el Sol emite en un rango de 1500 Aring hasta 40000 Aring y el maacuteximo ocurre a 4750 Aring La luz visible se extiende desde 4000 Aring a 7400 Aring La radiacioacuten ultravioleta u ondas cortas iriacutean desde los 1500 Aring a los 4000 Aring y la radiacioacuten infrarroja o radiacioacuten teacutermica u ondas largas desde las 074 micras a 4 micras
Tipos de radiaciones
bullradiacioacuten de radiobullradiacioacuten de microondasbullradiacioacuten infrarrojabullradiacioacuten visiblebullradiacioacuten ultravioletabullradiacioacuten Xbullradiacioacuten gamma (es la que emite maacutes energiacutea y la maacutes peligrosa)
Comemos alimentos
Para mantener nuestras funciones bioloacutegicas
Quemamos combustibles
Para producir energiacutea eleacutectricaPara calentar nuestras casasPara generar potencia en aviones trenes automoacuteviles
Usamos cubitos de hielo
Para enfriar bebidas
Usamos calor Para convertir masa cruda en pan horneado
Todos estos ejemplos nos indican que las reacciones quiacutemicas tienen algo en comuacuten
Las reacciones quiacutemicas implican cambios de energiacuteaLa combustioacuten de la gasolina libera energiacutea
La separacioacuten del agua en hidroacutegeno y oxiacutegeno requiere energiacutea
El estudio de la energiacutea y sus transformaciones se
conoce como TERMO DINAacuteMICAThermeldquocalorrdquo
DynamisldquoPotenciardquo
La invencioacuten del termoacutemetro se atribuye a Galileo aunque el termoacutemetro sellado no aparecioacute hasta 1650
Los oriacutegenes de la Termodinaacutemica como ciencia podriacuteanestablecerse en la eacutepoca de la invencioacuten del termoacutemetro quese atribuye a Galileo En reacciones que se desarrollan bajo condiciones controladas la medicioacuten de las variaciones de temperatura permite deducir los intercambios de calor (calores de reaccioacuten)
Termoacutemetro de cristal basado en el principio fiacutesico de que la densidad de un liacutequido cambia seguacuten la temperatura descubierto por Galileo Galilei (1564-1642) En funcioacuten de los cambios de temperatura las bolas de cristal que se encuentran en el interior del termoacutemetro se desplazan hacia arriba o abajo generandose dos zonas una en la parte superior y otra en la parte inferiorCada bola lleva una placa grabada con la temperatura de correspondencia con la densidad del liacutequidoLa temperatura ambiente es mostrada por la bola mas baja del conjunto de bolas que se encuentra en la zona superior del termoacutemetroRango de 18 a 24ordmC (de 2 en 2 grados)
Los termoacutemetros modernos de alcohol y mercurio fueron inventados por el fiacutesico alemaacuten Gabriel Fahrenheit quien tambieacuten propuso la primera escala de temperaturas ampliamente adoptada que lleva su nombre Punto de fusioacuten del hielo 32ordmF
Punto de ebullicioacuten del agua 212ordmF
212-32=180(La magnitud del grado Fahrenheit es menor que la del grado centiacutegrado)
La escala centiacutegrada o Celsius fue disentildeada por el astroacutenomo sueco
Es utilizada en la mayoriacutea de los paiacutesesEl punto de congelacioacuten es 0 grados (0 ordmC) y el punto de ebullicioacuten es de 100 ordmC
Anders Celsius
Por uacuteltimo la escala de temperaturas absolutas o escala Kelvin tiene su cero a una temperatura de ndash27315ordmC 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 expresioacutenTK = TC + 27315
Este aacuterea de estudio se desarrolloacute mucho con la revolucioacuten industrial
Interesaba conocer las relaciones entre calor trabajo y el contenido energeacutetico de los combustibles
Maximizar el rendimiento de las maacutequinas de vapor
Cientiacuteficos quedestacaron por la realizacioacuten de investigaciones y descubrimientos muy relevantesen relacioacuten a la Termodinaacutemica fueron entre otros Boltzmann Carnot ClapeyronClausius Gibbs Helmholtz Hess Joule Kelvin Maxwellhellip
Sistema y medio ambiente Convenio de signos de
los intercambios energeacuteticos Condiciones estaacutendar
Pueden ocurrir intercambios demateria yo energiacutea entre sistema y medio ambiente pero eacutestos deben ser controlados
ldquoexperimentordquo
sistema
medio ambiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema
son positivos
Tanto el calor perdido
por el sistema como el
trabajo efectuado por
el sistema sobre su
entorno son negativos
El convenio de signos para los intercambios de energiacutea en forma de calor y trabajo entre sistema y medio ambiente es el siguiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema son positivos aumentan su energiacutea
Tanto el calor perdido por el sistema como el trabajo efectuado por el sistema sobre su entorno son negativos reducen la energiacutea del sistema
qgt0wgt0
qlt0wlt0
qgt0wgt0
qlt0wlt0
E
EL QUIacuteMICO ES EL SISTEMA y lo ve desde dentro
El FIacuteSICO lo ve desde fuera
El quiacutemico ve el sistema desde dentro como si EL fuese el sistema
Por ejemplo un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre ambas partes del universo
La Termodinaacutemica se relaciona con los estados de equilibrioUn estado de equilibrio es aqueacutel en el que las propiedades macroscoacutepicas del sistema temperatura densidad composicioacuten quiacutemica etc estaacuten bien definidas y no variacutean
La Termodinaacutemica permite discernir si es posible pasar de un estado de equilibrio a otro pero no la velocidad de dicha transformacioacuten
Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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 funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
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Tipos de radiaciones
bullradiacioacuten de radiobullradiacioacuten de microondasbullradiacioacuten infrarrojabullradiacioacuten visiblebullradiacioacuten ultravioletabullradiacioacuten Xbullradiacioacuten gamma (es la que emite maacutes energiacutea y la maacutes peligrosa)
Comemos alimentos
Para mantener nuestras funciones bioloacutegicas
Quemamos combustibles
Para producir energiacutea eleacutectricaPara calentar nuestras casasPara generar potencia en aviones trenes automoacuteviles
Usamos cubitos de hielo
Para enfriar bebidas
Usamos calor Para convertir masa cruda en pan horneado
Todos estos ejemplos nos indican que las reacciones quiacutemicas tienen algo en comuacuten
Las reacciones quiacutemicas implican cambios de energiacuteaLa combustioacuten de la gasolina libera energiacutea
La separacioacuten del agua en hidroacutegeno y oxiacutegeno requiere energiacutea
El estudio de la energiacutea y sus transformaciones se
conoce como TERMO DINAacuteMICAThermeldquocalorrdquo
DynamisldquoPotenciardquo
La invencioacuten del termoacutemetro se atribuye a Galileo aunque el termoacutemetro sellado no aparecioacute hasta 1650
Los oriacutegenes de la Termodinaacutemica como ciencia podriacuteanestablecerse en la eacutepoca de la invencioacuten del termoacutemetro quese atribuye a Galileo En reacciones que se desarrollan bajo condiciones controladas la medicioacuten de las variaciones de temperatura permite deducir los intercambios de calor (calores de reaccioacuten)
Termoacutemetro de cristal basado en el principio fiacutesico de que la densidad de un liacutequido cambia seguacuten la temperatura descubierto por Galileo Galilei (1564-1642) En funcioacuten de los cambios de temperatura las bolas de cristal que se encuentran en el interior del termoacutemetro se desplazan hacia arriba o abajo generandose dos zonas una en la parte superior y otra en la parte inferiorCada bola lleva una placa grabada con la temperatura de correspondencia con la densidad del liacutequidoLa temperatura ambiente es mostrada por la bola mas baja del conjunto de bolas que se encuentra en la zona superior del termoacutemetroRango de 18 a 24ordmC (de 2 en 2 grados)
Los termoacutemetros modernos de alcohol y mercurio fueron inventados por el fiacutesico alemaacuten Gabriel Fahrenheit quien tambieacuten propuso la primera escala de temperaturas ampliamente adoptada que lleva su nombre Punto de fusioacuten del hielo 32ordmF
Punto de ebullicioacuten del agua 212ordmF
212-32=180(La magnitud del grado Fahrenheit es menor que la del grado centiacutegrado)
La escala centiacutegrada o Celsius fue disentildeada por el astroacutenomo sueco
Es utilizada en la mayoriacutea de los paiacutesesEl punto de congelacioacuten es 0 grados (0 ordmC) y el punto de ebullicioacuten es de 100 ordmC
Anders Celsius
Por uacuteltimo la escala de temperaturas absolutas o escala Kelvin tiene su cero a una temperatura de ndash27315ordmC 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 expresioacutenTK = TC + 27315
Este aacuterea de estudio se desarrolloacute mucho con la revolucioacuten industrial
Interesaba conocer las relaciones entre calor trabajo y el contenido energeacutetico de los combustibles
Maximizar el rendimiento de las maacutequinas de vapor
Cientiacuteficos quedestacaron por la realizacioacuten de investigaciones y descubrimientos muy relevantesen relacioacuten a la Termodinaacutemica fueron entre otros Boltzmann Carnot ClapeyronClausius Gibbs Helmholtz Hess Joule Kelvin Maxwellhellip
Sistema y medio ambiente Convenio de signos de
los intercambios energeacuteticos Condiciones estaacutendar
Pueden ocurrir intercambios demateria yo energiacutea entre sistema y medio ambiente pero eacutestos deben ser controlados
ldquoexperimentordquo
sistema
medio ambiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema
son positivos
Tanto el calor perdido
por el sistema como el
trabajo efectuado por
el sistema sobre su
entorno son negativos
El convenio de signos para los intercambios de energiacutea en forma de calor y trabajo entre sistema y medio ambiente es el siguiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema son positivos aumentan su energiacutea
Tanto el calor perdido por el sistema como el trabajo efectuado por el sistema sobre su entorno son negativos reducen la energiacutea del sistema
qgt0wgt0
qlt0wlt0
qgt0wgt0
qlt0wlt0
E
EL QUIacuteMICO ES EL SISTEMA y lo ve desde dentro
El FIacuteSICO lo ve desde fuera
El quiacutemico ve el sistema desde dentro como si EL fuese el sistema
Por ejemplo un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre ambas partes del universo
La Termodinaacutemica se relaciona con los estados de equilibrioUn estado de equilibrio es aqueacutel en el que las propiedades macroscoacutepicas del sistema temperatura densidad composicioacuten quiacutemica etc estaacuten bien definidas y no variacutean
La Termodinaacutemica permite discernir si es posible pasar de un estado de equilibrio a otro pero no la velocidad de dicha transformacioacuten
Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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 funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
FORMATObull ARIAL 12bull INTERLINIADO 15 williamrubergmailcom
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Comemos alimentos
Para mantener nuestras funciones bioloacutegicas
Quemamos combustibles
Para producir energiacutea eleacutectricaPara calentar nuestras casasPara generar potencia en aviones trenes automoacuteviles
Usamos cubitos de hielo
Para enfriar bebidas
Usamos calor Para convertir masa cruda en pan horneado
Todos estos ejemplos nos indican que las reacciones quiacutemicas tienen algo en comuacuten
Las reacciones quiacutemicas implican cambios de energiacuteaLa combustioacuten de la gasolina libera energiacutea
La separacioacuten del agua en hidroacutegeno y oxiacutegeno requiere energiacutea
El estudio de la energiacutea y sus transformaciones se
conoce como TERMO DINAacuteMICAThermeldquocalorrdquo
DynamisldquoPotenciardquo
La invencioacuten del termoacutemetro se atribuye a Galileo aunque el termoacutemetro sellado no aparecioacute hasta 1650
Los oriacutegenes de la Termodinaacutemica como ciencia podriacuteanestablecerse en la eacutepoca de la invencioacuten del termoacutemetro quese atribuye a Galileo En reacciones que se desarrollan bajo condiciones controladas la medicioacuten de las variaciones de temperatura permite deducir los intercambios de calor (calores de reaccioacuten)
Termoacutemetro de cristal basado en el principio fiacutesico de que la densidad de un liacutequido cambia seguacuten la temperatura descubierto por Galileo Galilei (1564-1642) En funcioacuten de los cambios de temperatura las bolas de cristal que se encuentran en el interior del termoacutemetro se desplazan hacia arriba o abajo generandose dos zonas una en la parte superior y otra en la parte inferiorCada bola lleva una placa grabada con la temperatura de correspondencia con la densidad del liacutequidoLa temperatura ambiente es mostrada por la bola mas baja del conjunto de bolas que se encuentra en la zona superior del termoacutemetroRango de 18 a 24ordmC (de 2 en 2 grados)
Los termoacutemetros modernos de alcohol y mercurio fueron inventados por el fiacutesico alemaacuten Gabriel Fahrenheit quien tambieacuten propuso la primera escala de temperaturas ampliamente adoptada que lleva su nombre Punto de fusioacuten del hielo 32ordmF
Punto de ebullicioacuten del agua 212ordmF
212-32=180(La magnitud del grado Fahrenheit es menor que la del grado centiacutegrado)
La escala centiacutegrada o Celsius fue disentildeada por el astroacutenomo sueco
Es utilizada en la mayoriacutea de los paiacutesesEl punto de congelacioacuten es 0 grados (0 ordmC) y el punto de ebullicioacuten es de 100 ordmC
Anders Celsius
Por uacuteltimo la escala de temperaturas absolutas o escala Kelvin tiene su cero a una temperatura de ndash27315ordmC 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 expresioacutenTK = TC + 27315
Este aacuterea de estudio se desarrolloacute mucho con la revolucioacuten industrial
Interesaba conocer las relaciones entre calor trabajo y el contenido energeacutetico de los combustibles
Maximizar el rendimiento de las maacutequinas de vapor
Cientiacuteficos quedestacaron por la realizacioacuten de investigaciones y descubrimientos muy relevantesen relacioacuten a la Termodinaacutemica fueron entre otros Boltzmann Carnot ClapeyronClausius Gibbs Helmholtz Hess Joule Kelvin Maxwellhellip
Sistema y medio ambiente Convenio de signos de
los intercambios energeacuteticos Condiciones estaacutendar
Pueden ocurrir intercambios demateria yo energiacutea entre sistema y medio ambiente pero eacutestos deben ser controlados
ldquoexperimentordquo
sistema
medio ambiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema
son positivos
Tanto el calor perdido
por el sistema como el
trabajo efectuado por
el sistema sobre su
entorno son negativos
El convenio de signos para los intercambios de energiacutea en forma de calor y trabajo entre sistema y medio ambiente es el siguiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema son positivos aumentan su energiacutea
Tanto el calor perdido por el sistema como el trabajo efectuado por el sistema sobre su entorno son negativos reducen la energiacutea del sistema
qgt0wgt0
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EL QUIacuteMICO ES EL SISTEMA y lo ve desde dentro
El FIacuteSICO lo ve desde fuera
El quiacutemico ve el sistema desde dentro como si EL fuese el sistema
Por ejemplo un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre ambas partes del universo
La Termodinaacutemica se relaciona con los estados de equilibrioUn estado de equilibrio es aqueacutel en el que las propiedades macroscoacutepicas del sistema temperatura densidad composicioacuten quiacutemica etc estaacuten bien definidas y no variacutean
La Termodinaacutemica permite discernir si es posible pasar de un estado de equilibrio a otro pero no la velocidad de dicha transformacioacuten
Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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
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Una funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
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Todos estos ejemplos nos indican que las reacciones quiacutemicas tienen algo en comuacuten
Las reacciones quiacutemicas implican cambios de energiacuteaLa combustioacuten de la gasolina libera energiacutea
La separacioacuten del agua en hidroacutegeno y oxiacutegeno requiere energiacutea
El estudio de la energiacutea y sus transformaciones se
conoce como TERMO DINAacuteMICAThermeldquocalorrdquo
DynamisldquoPotenciardquo
La invencioacuten del termoacutemetro se atribuye a Galileo aunque el termoacutemetro sellado no aparecioacute hasta 1650
Los oriacutegenes de la Termodinaacutemica como ciencia podriacuteanestablecerse en la eacutepoca de la invencioacuten del termoacutemetro quese atribuye a Galileo En reacciones que se desarrollan bajo condiciones controladas la medicioacuten de las variaciones de temperatura permite deducir los intercambios de calor (calores de reaccioacuten)
Termoacutemetro de cristal basado en el principio fiacutesico de que la densidad de un liacutequido cambia seguacuten la temperatura descubierto por Galileo Galilei (1564-1642) En funcioacuten de los cambios de temperatura las bolas de cristal que se encuentran en el interior del termoacutemetro se desplazan hacia arriba o abajo generandose dos zonas una en la parte superior y otra en la parte inferiorCada bola lleva una placa grabada con la temperatura de correspondencia con la densidad del liacutequidoLa temperatura ambiente es mostrada por la bola mas baja del conjunto de bolas que se encuentra en la zona superior del termoacutemetroRango de 18 a 24ordmC (de 2 en 2 grados)
Los termoacutemetros modernos de alcohol y mercurio fueron inventados por el fiacutesico alemaacuten Gabriel Fahrenheit quien tambieacuten propuso la primera escala de temperaturas ampliamente adoptada que lleva su nombre Punto de fusioacuten del hielo 32ordmF
Punto de ebullicioacuten del agua 212ordmF
212-32=180(La magnitud del grado Fahrenheit es menor que la del grado centiacutegrado)
La escala centiacutegrada o Celsius fue disentildeada por el astroacutenomo sueco
Es utilizada en la mayoriacutea de los paiacutesesEl punto de congelacioacuten es 0 grados (0 ordmC) y el punto de ebullicioacuten es de 100 ordmC
Anders Celsius
Por uacuteltimo la escala de temperaturas absolutas o escala Kelvin tiene su cero a una temperatura de ndash27315ordmC 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 expresioacutenTK = TC + 27315
Este aacuterea de estudio se desarrolloacute mucho con la revolucioacuten industrial
Interesaba conocer las relaciones entre calor trabajo y el contenido energeacutetico de los combustibles
Maximizar el rendimiento de las maacutequinas de vapor
Cientiacuteficos quedestacaron por la realizacioacuten de investigaciones y descubrimientos muy relevantesen relacioacuten a la Termodinaacutemica fueron entre otros Boltzmann Carnot ClapeyronClausius Gibbs Helmholtz Hess Joule Kelvin Maxwellhellip
Sistema y medio ambiente Convenio de signos de
los intercambios energeacuteticos Condiciones estaacutendar
Pueden ocurrir intercambios demateria yo energiacutea entre sistema y medio ambiente pero eacutestos deben ser controlados
ldquoexperimentordquo
sistema
medio ambiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema
son positivos
Tanto el calor perdido
por el sistema como el
trabajo efectuado por
el sistema sobre su
entorno son negativos
El convenio de signos para los intercambios de energiacutea en forma de calor y trabajo entre sistema y medio ambiente es el siguiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema son positivos aumentan su energiacutea
Tanto el calor perdido por el sistema como el trabajo efectuado por el sistema sobre su entorno son negativos reducen la energiacutea del sistema
qgt0wgt0
qlt0wlt0
qgt0wgt0
qlt0wlt0
E
EL QUIacuteMICO ES EL SISTEMA y lo ve desde dentro
El FIacuteSICO lo ve desde fuera
El quiacutemico ve el sistema desde dentro como si EL fuese el sistema
Por ejemplo un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre ambas partes del universo
La Termodinaacutemica se relaciona con los estados de equilibrioUn estado de equilibrio es aqueacutel en el que las propiedades macroscoacutepicas del sistema temperatura densidad composicioacuten quiacutemica etc estaacuten bien definidas y no variacutean
La Termodinaacutemica permite discernir si es posible pasar de un estado de equilibrio a otro pero no la velocidad de dicha transformacioacuten
Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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 funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
FORMATObull ARIAL 12bull INTERLINIADO 15 williamrubergmailcom
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La invencioacuten del termoacutemetro se atribuye a Galileo aunque el termoacutemetro sellado no aparecioacute hasta 1650
Los oriacutegenes de la Termodinaacutemica como ciencia podriacuteanestablecerse en la eacutepoca de la invencioacuten del termoacutemetro quese atribuye a Galileo En reacciones que se desarrollan bajo condiciones controladas la medicioacuten de las variaciones de temperatura permite deducir los intercambios de calor (calores de reaccioacuten)
Termoacutemetro de cristal basado en el principio fiacutesico de que la densidad de un liacutequido cambia seguacuten la temperatura descubierto por Galileo Galilei (1564-1642) En funcioacuten de los cambios de temperatura las bolas de cristal que se encuentran en el interior del termoacutemetro se desplazan hacia arriba o abajo generandose dos zonas una en la parte superior y otra en la parte inferiorCada bola lleva una placa grabada con la temperatura de correspondencia con la densidad del liacutequidoLa temperatura ambiente es mostrada por la bola mas baja del conjunto de bolas que se encuentra en la zona superior del termoacutemetroRango de 18 a 24ordmC (de 2 en 2 grados)
Los termoacutemetros modernos de alcohol y mercurio fueron inventados por el fiacutesico alemaacuten Gabriel Fahrenheit quien tambieacuten propuso la primera escala de temperaturas ampliamente adoptada que lleva su nombre Punto de fusioacuten del hielo 32ordmF
Punto de ebullicioacuten del agua 212ordmF
212-32=180(La magnitud del grado Fahrenheit es menor que la del grado centiacutegrado)
La escala centiacutegrada o Celsius fue disentildeada por el astroacutenomo sueco
Es utilizada en la mayoriacutea de los paiacutesesEl punto de congelacioacuten es 0 grados (0 ordmC) y el punto de ebullicioacuten es de 100 ordmC
Anders Celsius
Por uacuteltimo la escala de temperaturas absolutas o escala Kelvin tiene su cero a una temperatura de ndash27315ordmC 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 expresioacutenTK = TC + 27315
Este aacuterea de estudio se desarrolloacute mucho con la revolucioacuten industrial
Interesaba conocer las relaciones entre calor trabajo y el contenido energeacutetico de los combustibles
Maximizar el rendimiento de las maacutequinas de vapor
Cientiacuteficos quedestacaron por la realizacioacuten de investigaciones y descubrimientos muy relevantesen relacioacuten a la Termodinaacutemica fueron entre otros Boltzmann Carnot ClapeyronClausius Gibbs Helmholtz Hess Joule Kelvin Maxwellhellip
Sistema y medio ambiente Convenio de signos de
los intercambios energeacuteticos Condiciones estaacutendar
Pueden ocurrir intercambios demateria yo energiacutea entre sistema y medio ambiente pero eacutestos deben ser controlados
ldquoexperimentordquo
sistema
medio ambiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema
son positivos
Tanto el calor perdido
por el sistema como el
trabajo efectuado por
el sistema sobre su
entorno son negativos
El convenio de signos para los intercambios de energiacutea en forma de calor y trabajo entre sistema y medio ambiente es el siguiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema son positivos aumentan su energiacutea
Tanto el calor perdido por el sistema como el trabajo efectuado por el sistema sobre su entorno son negativos reducen la energiacutea del sistema
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qgt0wgt0
qlt0wlt0
E
EL QUIacuteMICO ES EL SISTEMA y lo ve desde dentro
El FIacuteSICO lo ve desde fuera
El quiacutemico ve el sistema desde dentro como si EL fuese el sistema
Por ejemplo un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre ambas partes del universo
La Termodinaacutemica se relaciona con los estados de equilibrioUn estado de equilibrio es aqueacutel en el que las propiedades macroscoacutepicas del sistema temperatura densidad composicioacuten quiacutemica etc estaacuten bien definidas y no variacutean
La Termodinaacutemica permite discernir si es posible pasar de un estado de equilibrio a otro pero no la velocidad de dicha transformacioacuten
Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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
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Una funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
FORMATObull ARIAL 12bull INTERLINIADO 15 williamrubergmailcom
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Termoacutemetro de cristal basado en el principio fiacutesico de que la densidad de un liacutequido cambia seguacuten la temperatura descubierto por Galileo Galilei (1564-1642) En funcioacuten de los cambios de temperatura las bolas de cristal que se encuentran en el interior del termoacutemetro se desplazan hacia arriba o abajo generandose dos zonas una en la parte superior y otra en la parte inferiorCada bola lleva una placa grabada con la temperatura de correspondencia con la densidad del liacutequidoLa temperatura ambiente es mostrada por la bola mas baja del conjunto de bolas que se encuentra en la zona superior del termoacutemetroRango de 18 a 24ordmC (de 2 en 2 grados)
Los termoacutemetros modernos de alcohol y mercurio fueron inventados por el fiacutesico alemaacuten Gabriel Fahrenheit quien tambieacuten propuso la primera escala de temperaturas ampliamente adoptada que lleva su nombre Punto de fusioacuten del hielo 32ordmF
Punto de ebullicioacuten del agua 212ordmF
212-32=180(La magnitud del grado Fahrenheit es menor que la del grado centiacutegrado)
La escala centiacutegrada o Celsius fue disentildeada por el astroacutenomo sueco
Es utilizada en la mayoriacutea de los paiacutesesEl punto de congelacioacuten es 0 grados (0 ordmC) y el punto de ebullicioacuten es de 100 ordmC
Anders Celsius
Por uacuteltimo la escala de temperaturas absolutas o escala Kelvin tiene su cero a una temperatura de ndash27315ordmC 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 expresioacutenTK = TC + 27315
Este aacuterea de estudio se desarrolloacute mucho con la revolucioacuten industrial
Interesaba conocer las relaciones entre calor trabajo y el contenido energeacutetico de los combustibles
Maximizar el rendimiento de las maacutequinas de vapor
Cientiacuteficos quedestacaron por la realizacioacuten de investigaciones y descubrimientos muy relevantesen relacioacuten a la Termodinaacutemica fueron entre otros Boltzmann Carnot ClapeyronClausius Gibbs Helmholtz Hess Joule Kelvin Maxwellhellip
Sistema y medio ambiente Convenio de signos de
los intercambios energeacuteticos Condiciones estaacutendar
Pueden ocurrir intercambios demateria yo energiacutea entre sistema y medio ambiente pero eacutestos deben ser controlados
ldquoexperimentordquo
sistema
medio ambiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema
son positivos
Tanto el calor perdido
por el sistema como el
trabajo efectuado por
el sistema sobre su
entorno son negativos
El convenio de signos para los intercambios de energiacutea en forma de calor y trabajo entre sistema y medio ambiente es el siguiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema son positivos aumentan su energiacutea
Tanto el calor perdido por el sistema como el trabajo efectuado por el sistema sobre su entorno son negativos reducen la energiacutea del sistema
qgt0wgt0
qlt0wlt0
qgt0wgt0
qlt0wlt0
E
EL QUIacuteMICO ES EL SISTEMA y lo ve desde dentro
El FIacuteSICO lo ve desde fuera
El quiacutemico ve el sistema desde dentro como si EL fuese el sistema
Por ejemplo un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre ambas partes del universo
La Termodinaacutemica se relaciona con los estados de equilibrioUn estado de equilibrio es aqueacutel en el que las propiedades macroscoacutepicas del sistema temperatura densidad composicioacuten quiacutemica etc estaacuten bien definidas y no variacutean
La Termodinaacutemica permite discernir si es posible pasar de un estado de equilibrio a otro pero no la velocidad de dicha transformacioacuten
Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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 funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
FORMATObull ARIAL 12bull INTERLINIADO 15 williamrubergmailcom
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Los termoacutemetros modernos de alcohol y mercurio fueron inventados por el fiacutesico alemaacuten Gabriel Fahrenheit quien tambieacuten propuso la primera escala de temperaturas ampliamente adoptada que lleva su nombre Punto de fusioacuten del hielo 32ordmF
Punto de ebullicioacuten del agua 212ordmF
212-32=180(La magnitud del grado Fahrenheit es menor que la del grado centiacutegrado)
La escala centiacutegrada o Celsius fue disentildeada por el astroacutenomo sueco
Es utilizada en la mayoriacutea de los paiacutesesEl punto de congelacioacuten es 0 grados (0 ordmC) y el punto de ebullicioacuten es de 100 ordmC
Anders Celsius
Por uacuteltimo la escala de temperaturas absolutas o escala Kelvin tiene su cero a una temperatura de ndash27315ordmC 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 expresioacutenTK = TC + 27315
Este aacuterea de estudio se desarrolloacute mucho con la revolucioacuten industrial
Interesaba conocer las relaciones entre calor trabajo y el contenido energeacutetico de los combustibles
Maximizar el rendimiento de las maacutequinas de vapor
Cientiacuteficos quedestacaron por la realizacioacuten de investigaciones y descubrimientos muy relevantesen relacioacuten a la Termodinaacutemica fueron entre otros Boltzmann Carnot ClapeyronClausius Gibbs Helmholtz Hess Joule Kelvin Maxwellhellip
Sistema y medio ambiente Convenio de signos de
los intercambios energeacuteticos Condiciones estaacutendar
Pueden ocurrir intercambios demateria yo energiacutea entre sistema y medio ambiente pero eacutestos deben ser controlados
ldquoexperimentordquo
sistema
medio ambiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema
son positivos
Tanto el calor perdido
por el sistema como el
trabajo efectuado por
el sistema sobre su
entorno son negativos
El convenio de signos para los intercambios de energiacutea en forma de calor y trabajo entre sistema y medio ambiente es el siguiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema son positivos aumentan su energiacutea
Tanto el calor perdido por el sistema como el trabajo efectuado por el sistema sobre su entorno son negativos reducen la energiacutea del sistema
qgt0wgt0
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E
EL QUIacuteMICO ES EL SISTEMA y lo ve desde dentro
El FIacuteSICO lo ve desde fuera
El quiacutemico ve el sistema desde dentro como si EL fuese el sistema
Por ejemplo un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre ambas partes del universo
La Termodinaacutemica se relaciona con los estados de equilibrioUn estado de equilibrio es aqueacutel en el que las propiedades macroscoacutepicas del sistema temperatura densidad composicioacuten quiacutemica etc estaacuten bien definidas y no variacutean
La Termodinaacutemica permite discernir si es posible pasar de un estado de equilibrio a otro pero no la velocidad de dicha transformacioacuten
Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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
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Una funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
FORMATObull ARIAL 12bull INTERLINIADO 15 williamrubergmailcom
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La escala centiacutegrada o Celsius fue disentildeada por el astroacutenomo sueco
Es utilizada en la mayoriacutea de los paiacutesesEl punto de congelacioacuten es 0 grados (0 ordmC) y el punto de ebullicioacuten es de 100 ordmC
Anders Celsius
Por uacuteltimo la escala de temperaturas absolutas o escala Kelvin tiene su cero a una temperatura de ndash27315ordmC 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 expresioacutenTK = TC + 27315
Este aacuterea de estudio se desarrolloacute mucho con la revolucioacuten industrial
Interesaba conocer las relaciones entre calor trabajo y el contenido energeacutetico de los combustibles
Maximizar el rendimiento de las maacutequinas de vapor
Cientiacuteficos quedestacaron por la realizacioacuten de investigaciones y descubrimientos muy relevantesen relacioacuten a la Termodinaacutemica fueron entre otros Boltzmann Carnot ClapeyronClausius Gibbs Helmholtz Hess Joule Kelvin Maxwellhellip
Sistema y medio ambiente Convenio de signos de
los intercambios energeacuteticos Condiciones estaacutendar
Pueden ocurrir intercambios demateria yo energiacutea entre sistema y medio ambiente pero eacutestos deben ser controlados
ldquoexperimentordquo
sistema
medio ambiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema
son positivos
Tanto el calor perdido
por el sistema como el
trabajo efectuado por
el sistema sobre su
entorno son negativos
El convenio de signos para los intercambios de energiacutea en forma de calor y trabajo entre sistema y medio ambiente es el siguiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema son positivos aumentan su energiacutea
Tanto el calor perdido por el sistema como el trabajo efectuado por el sistema sobre su entorno son negativos reducen la energiacutea del sistema
qgt0wgt0
qlt0wlt0
qgt0wgt0
qlt0wlt0
E
EL QUIacuteMICO ES EL SISTEMA y lo ve desde dentro
El FIacuteSICO lo ve desde fuera
El quiacutemico ve el sistema desde dentro como si EL fuese el sistema
Por ejemplo un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre ambas partes del universo
La Termodinaacutemica se relaciona con los estados de equilibrioUn estado de equilibrio es aqueacutel en el que las propiedades macroscoacutepicas del sistema temperatura densidad composicioacuten quiacutemica etc estaacuten bien definidas y no variacutean
La Termodinaacutemica permite discernir si es posible pasar de un estado de equilibrio a otro pero no la velocidad de dicha transformacioacuten
Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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 funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
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Por uacuteltimo la escala de temperaturas absolutas o escala Kelvin tiene su cero a una temperatura de ndash27315ordmC 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 expresioacutenTK = TC + 27315
Este aacuterea de estudio se desarrolloacute mucho con la revolucioacuten industrial
Interesaba conocer las relaciones entre calor trabajo y el contenido energeacutetico de los combustibles
Maximizar el rendimiento de las maacutequinas de vapor
Cientiacuteficos quedestacaron por la realizacioacuten de investigaciones y descubrimientos muy relevantesen relacioacuten a la Termodinaacutemica fueron entre otros Boltzmann Carnot ClapeyronClausius Gibbs Helmholtz Hess Joule Kelvin Maxwellhellip
Sistema y medio ambiente Convenio de signos de
los intercambios energeacuteticos Condiciones estaacutendar
Pueden ocurrir intercambios demateria yo energiacutea entre sistema y medio ambiente pero eacutestos deben ser controlados
ldquoexperimentordquo
sistema
medio ambiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema
son positivos
Tanto el calor perdido
por el sistema como el
trabajo efectuado por
el sistema sobre su
entorno son negativos
El convenio de signos para los intercambios de energiacutea en forma de calor y trabajo entre sistema y medio ambiente es el siguiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema son positivos aumentan su energiacutea
Tanto el calor perdido por el sistema como el trabajo efectuado por el sistema sobre su entorno son negativos reducen la energiacutea del sistema
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EL QUIacuteMICO ES EL SISTEMA y lo ve desde dentro
El FIacuteSICO lo ve desde fuera
El quiacutemico ve el sistema desde dentro como si EL fuese el sistema
Por ejemplo un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre ambas partes del universo
La Termodinaacutemica se relaciona con los estados de equilibrioUn estado de equilibrio es aqueacutel en el que las propiedades macroscoacutepicas del sistema temperatura densidad composicioacuten quiacutemica etc estaacuten bien definidas y no variacutean
La Termodinaacutemica permite discernir si es posible pasar de un estado de equilibrio a otro pero no la velocidad de dicha transformacioacuten
Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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
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Una funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
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Este aacuterea de estudio se desarrolloacute mucho con la revolucioacuten industrial
Interesaba conocer las relaciones entre calor trabajo y el contenido energeacutetico de los combustibles
Maximizar el rendimiento de las maacutequinas de vapor
Cientiacuteficos quedestacaron por la realizacioacuten de investigaciones y descubrimientos muy relevantesen relacioacuten a la Termodinaacutemica fueron entre otros Boltzmann Carnot ClapeyronClausius Gibbs Helmholtz Hess Joule Kelvin Maxwellhellip
Sistema y medio ambiente Convenio de signos de
los intercambios energeacuteticos Condiciones estaacutendar
Pueden ocurrir intercambios demateria yo energiacutea entre sistema y medio ambiente pero eacutestos deben ser controlados
ldquoexperimentordquo
sistema
medio ambiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema
son positivos
Tanto el calor perdido
por el sistema como el
trabajo efectuado por
el sistema sobre su
entorno son negativos
El convenio de signos para los intercambios de energiacutea en forma de calor y trabajo entre sistema y medio ambiente es el siguiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema son positivos aumentan su energiacutea
Tanto el calor perdido por el sistema como el trabajo efectuado por el sistema sobre su entorno son negativos reducen la energiacutea del sistema
qgt0wgt0
qlt0wlt0
qgt0wgt0
qlt0wlt0
E
EL QUIacuteMICO ES EL SISTEMA y lo ve desde dentro
El FIacuteSICO lo ve desde fuera
El quiacutemico ve el sistema desde dentro como si EL fuese el sistema
Por ejemplo un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre ambas partes del universo
La Termodinaacutemica se relaciona con los estados de equilibrioUn estado de equilibrio es aqueacutel en el que las propiedades macroscoacutepicas del sistema temperatura densidad composicioacuten quiacutemica etc estaacuten bien definidas y no variacutean
La Termodinaacutemica permite discernir si es posible pasar de un estado de equilibrio a otro pero no la velocidad de dicha transformacioacuten
Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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 funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
FORMATObull ARIAL 12bull INTERLINIADO 15 williamrubergmailcom
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Sistema y medio ambiente Convenio de signos de
los intercambios energeacuteticos Condiciones estaacutendar
Pueden ocurrir intercambios demateria yo energiacutea entre sistema y medio ambiente pero eacutestos deben ser controlados
ldquoexperimentordquo
sistema
medio ambiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema
son positivos
Tanto el calor perdido
por el sistema como el
trabajo efectuado por
el sistema sobre su
entorno son negativos
El convenio de signos para los intercambios de energiacutea en forma de calor y trabajo entre sistema y medio ambiente es el siguiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema son positivos aumentan su energiacutea
Tanto el calor perdido por el sistema como el trabajo efectuado por el sistema sobre su entorno son negativos reducen la energiacutea del sistema
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EL QUIacuteMICO ES EL SISTEMA y lo ve desde dentro
El FIacuteSICO lo ve desde fuera
El quiacutemico ve el sistema desde dentro como si EL fuese el sistema
Por ejemplo un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre ambas partes del universo
La Termodinaacutemica se relaciona con los estados de equilibrioUn estado de equilibrio es aqueacutel en el que las propiedades macroscoacutepicas del sistema temperatura densidad composicioacuten quiacutemica etc estaacuten bien definidas y no variacutean
La Termodinaacutemica permite discernir si es posible pasar de un estado de equilibrio a otro pero no la velocidad de dicha transformacioacuten
Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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
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Una funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
FORMATObull ARIAL 12bull INTERLINIADO 15 williamrubergmailcom
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Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema
son positivos
Tanto el calor perdido
por el sistema como el
trabajo efectuado por
el sistema sobre su
entorno son negativos
El convenio de signos para los intercambios de energiacutea en forma de calor y trabajo entre sistema y medio ambiente es el siguiente
Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema son positivos aumentan su energiacutea
Tanto el calor perdido por el sistema como el trabajo efectuado por el sistema sobre su entorno son negativos reducen la energiacutea del sistema
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EL QUIacuteMICO ES EL SISTEMA y lo ve desde dentro
El FIacuteSICO lo ve desde fuera
El quiacutemico ve el sistema desde dentro como si EL fuese el sistema
Por ejemplo un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre ambas partes del universo
La Termodinaacutemica se relaciona con los estados de equilibrioUn estado de equilibrio es aqueacutel en el que las propiedades macroscoacutepicas del sistema temperatura densidad composicioacuten quiacutemica etc estaacuten bien definidas y no variacutean
La Termodinaacutemica permite discernir si es posible pasar de un estado de equilibrio a otro pero no la velocidad de dicha transformacioacuten
Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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
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Una funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
FORMATObull ARIAL 12bull INTERLINIADO 15 williamrubergmailcom
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Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se efectuacutea sobre el sistema son positivos aumentan su energiacutea
Tanto el calor perdido por el sistema como el trabajo efectuado por el sistema sobre su entorno son negativos reducen la energiacutea del sistema
qgt0wgt0
qlt0wlt0
qgt0wgt0
qlt0wlt0
E
EL QUIacuteMICO ES EL SISTEMA y lo ve desde dentro
El FIacuteSICO lo ve desde fuera
El quiacutemico ve el sistema desde dentro como si EL fuese el sistema
Por ejemplo un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre ambas partes del universo
La Termodinaacutemica se relaciona con los estados de equilibrioUn estado de equilibrio es aqueacutel en el que las propiedades macroscoacutepicas del sistema temperatura densidad composicioacuten quiacutemica etc estaacuten bien definidas y no variacutean
La Termodinaacutemica permite discernir si es posible pasar de un estado de equilibrio a otro pero no la velocidad de dicha transformacioacuten
Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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 funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
FORMATObull ARIAL 12bull INTERLINIADO 15 williamrubergmailcom
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EL QUIacuteMICO ES EL SISTEMA y lo ve desde dentro
El FIacuteSICO lo ve desde fuera
El quiacutemico ve el sistema desde dentro como si EL fuese el sistema
Por ejemplo un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre ambas partes del universo
La Termodinaacutemica se relaciona con los estados de equilibrioUn estado de equilibrio es aqueacutel en el que las propiedades macroscoacutepicas del sistema temperatura densidad composicioacuten quiacutemica etc estaacuten bien definidas y no variacutean
La Termodinaacutemica permite discernir si es posible pasar de un estado de equilibrio a otro pero no la velocidad de dicha transformacioacuten
Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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
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Una funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
FORMATObull ARIAL 12bull INTERLINIADO 15 williamrubergmailcom
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El quiacutemico ve el sistema desde dentro como si EL fuese el sistema
Por ejemplo un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre ambas partes del universo
La Termodinaacutemica se relaciona con los estados de equilibrioUn estado de equilibrio es aqueacutel en el que las propiedades macroscoacutepicas del sistema temperatura densidad composicioacuten quiacutemica etc estaacuten bien definidas y no variacutean
La Termodinaacutemica permite discernir si es posible pasar de un estado de equilibrio a otro pero no la velocidad de dicha transformacioacuten
Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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
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Una funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
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Por ejemplo un sistema estaacute en equilibrio teacutermico con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre ambas partes del universo
La Termodinaacutemica se relaciona con los estados de equilibrioUn estado de equilibrio es aqueacutel en el que las propiedades macroscoacutepicas del sistema temperatura densidad composicioacuten quiacutemica etc estaacuten bien definidas y no variacutean
La Termodinaacutemica permite discernir si es posible pasar de un estado de equilibrio a otro pero no la velocidad de dicha transformacioacuten
Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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
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Una funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
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econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
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Ejemplos de funciones de estado son temperatura presioacuten volumen energiacutea interna entalpiacutea etc
Para descripcioacuten de los sistemas termodinaacutemicos se hace obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones de estado
Una funcioacuten 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
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Una funcioacuten de ESTADONO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL
SISTEMA SINO DE SU CONDICIOacuteN ACTUAL
Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
FORMATObull ARIAL 12bull INTERLINIADO 15 williamrubergmailcom
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Las propiedades termodinaacutemicas de un sistema dependen de las condiciones particulares del mismo
Por ello se definen unas condiciones estaacutendar que permiten establecer unos estados de referencia
Ejemplo para una muestra de gas dependen de la presioacuten
Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
FORMATObull ARIAL 12bull INTERLINIADO 15 williamrubergmailcom
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Dichas condiciones estaacutendar son las siguientes1048696 Para gases puros o en una mezcla de gases la presioacuten parcial de 105 Pa suponiendo comportamiento ideal El valor de 105 Pa es ligeramente menor que 1 atmoacutesfera1048696 Para sustancias disueltas la concentracioacuten 1 molal aproximadamente igual a 1 molar) suponiendo comportamiento ideal1048696 Para soacutelidos y liacutequidos puros su forma maacutes estable bajo la presioacuten de 1 atmoacutesferaLas condiciones estaacutendar pueden darse para cualquier temperatura No obstante las tablas de propiedades termodinaacutemicas en condiciones estaacutendar suelen recoger datos correspondientes a 25ordmC
La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
FORMATObull ARIAL 12bull INTERLINIADO 15 williamrubergmailcom
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La Unioacuten Internacional de Quiacutemica Pura y Aplicada (IUPAC siglas en ingleacutes) publicoacute en su paacutegina web un glosario revisado en el 2000 en la cual se definen los teacuterminos ldquoCondiciones Normalesrdquo (Normal Conditions) ldquoEstaacutendarrdquo (Standard) y ldquoCondiciones Estaacutendares para los gasesrdquo (Standard Conditions for Gases)
Estaacutendar Es un valor exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo que sirve como modelo o regla en la medicioacuten de una cantidad o en el establecimiento de una praacutectica o procedimiento en el anaacutelisis de la contaminacioacuten del aire o el uso de los gases liacutequidos y soacutelidos de referencia estaacutendar para calibrar equipos
Condiciones Estaacutendares para Gases A veces se indica con la abreviacioacuten STP Temperatura 27315 K (0ordmC) Presioacuten 105 pascales La IUPAC recomienda descontinuar el uso inicial de la presioacuten de 1 atm (equivalente a 101325 x 105 Pa) como presioacuten estaacutendar
Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
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Condiciones Normales Es un teacutermino cualitativo que depende de la preferencia del investigador a menudo implica la presioacuten del ambiente y la temperatura del lugar Es preferible que estas variables de temperatura y presioacuten sean fijadas como valores representativos de las condiciones actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio CONCLUSIOacuteNPara fines praacutecticos no hay una diferencia significativa entre 101325x105Pa y 105 Pa Podemos seguir empleando la presioacuten de 1 atm para caacutelculos que no requieran un rigor cientiacuteficoDe acuerdo a las definiciones anteriores podemos resumir lo siguienteCondiciones Estaacutendares 1 atm y 0ordmCCondiciones Normales Presioacuten y Temperatura del lugar Depende de las condiciones a las cuales se esteacute haciendo el experimento estudio o medicioacuten comuacutenmente para la presioacuten es 1 atm y la temperatura 15ordmC 20ordmC 25ordmC oacute 27ordmC
Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
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(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
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Energiacutea interna calor y trabajoLa energiacutea interna de un sistema E puede definirse como la suma de todas las energiacuteas de las partiacuteculas (aacutetomos o moleacuteculas) que constituyen dicho sistema
A causa de la gran variedad de tipos de movimientos e interacciones no es posible determinar la energiacutea exacta de ninguacuten sistema de intereacutes praacutectico
Normalmente estamos maacutes interesados en determinar las variaciones de E en un proceso dadoEstas variaciones se producen por intercambios de calor yo trabajo
Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
FORMATObull ARIAL 12bull INTERLINIADO 15 williamrubergmailcom
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Joule comproboacute en un experimento ceacutelebre
que se podiacutea obtener el mismo incremento de temperatura de una masa de agua calentando (aportando calor al sistema)
o bien agitandodicha masa de agua mediante unas paletas pero sin calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor)Ello demuestra que se puede modificar la energiacutea interna de un sistema (pasar de un estado E1 a un estado E2) mediante intercambios de calor yo intercambios de trabajo
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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
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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 soacutelo son formas de intercambio de energiacutea
Por tanto la energiacutea interna es una funcioacuten de estado del sistema (su valor soacutelo depende de los estados inicial y final)
La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
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bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
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La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad de materia de una temperatura T1 a otra T2 seraacute puesQ = n Cp (T2 ndash T1)Donde n es el nuacutemero de moles de la muestra
Intercambios de calorSe define la CAPACIDAD CALORIacuteFICA de una sustancia como la cantidad de calor a aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol de dicha sustanciaUTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORIacuteFICA PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIOacuteN CONSTANTE Cp
Sus unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J( mol K) Las capacidades caloriacuteficas se supondraacuten invariantes con la temperatura aunque en rigor son dependientes de T
Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
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Tambieacuten se suele utilizar el calor especiacutefico (CE) en los caacutelculos de intercambios de calor
CE se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es de 1 caloria(g ordmK) o 418 J(g ordmK) Cuando se utiliza CE el caacutelculo del calor intercambiado se realiza mediante la expresioacuten Q = m CE (T2 ndash T1)Donde m es la masa de la muestra
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
CRITERIOSbull HOJA DE PRESENTACIOacuteNbull INDICEbull INTRODUCCIOacuteN
(PERSONAL)bull DESARROLLObull CONCLUSIOacuteN (PERSONAL)bull BIBLIOGRAFIA
FORMATObull ARIAL 12bull INTERLINIADO 15 williamrubergmailcom
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Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura
Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
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Durante los cambios de fase (vaporizacioacuten fusioacuten etc) se intercambia calor sin variacioacuten de temperatura Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado Por ejemplo Qvap expresado en Jmol representariacutea la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de una sustanciaQ = n Qcambio estado
Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
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Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
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Medida de los intercambios de calor en las reacciones quiacutemicasvamos a ver la forma en que se puede medir experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones quiacutemicas
Ciertas reacciones quiacutemicas desprenden calor que va a parar al medio ambienteseguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como negativo Q lt 0reacciones exoteacutermicas
Otras reacciones necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse Seguacuten el convenio de signos consideramos el calor de dichas reacciones como positivo Q gt 0 reacciones endoteacutermicas
Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
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Para la medida de los calores de reaccioacuten se utilizan los caloriacutemetros
En el caso de las reacciones de combustioacuten se utiliza una bomba caloriacutemetricaconsta de un recipiente de acero que se puede cerrar hermeacuteticamente sumergido en una masa de agua ma que estaacute aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared de aire) para evitar peacuterdidas de calor La masa del recipiente de acero la denominaremos masa del caloriacutemetro (mc)
El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde colocamos la sustancia que va a experimentar la combustioacuten una resistencia eleacutectrica realiza la ignicioacuten de la muestra una entrada de gas oxiacutegeno en exceso para la combustioacuten
Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
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Se utiliza un termoacutemetro para medir la variacioacuten que experimenta la temperatura del agua y el caloriacutemetro a consecuencia del calor intercambiado por la reaccioacuten quiacutemica
si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
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para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
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Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
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si la reaccioacuten quiacutemica libera calor eacuteste seraacute absorbido en su totalidad por el agua y el caloriacutemetro aumentando su temperatura desde un valor inicial T1 a un valor final T2Si conocemos los calores especiacuteficos del agua (Ca) y del acero del caloriacutemetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado por la reaccioacuten
un sistema es la reaccioacuten
otro sistema el conjunto de agua y caloriacutemetro
DEBEMOS TENER EN CUENTA
para una reaccioacuten exoteacutermica (Qreaccioacuten lt 0)
aumentaraacuten su temperatura ya que absorben calor siendo dicho calor positivo
LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMEacuteTRICA SE PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansioacuten de gases)
Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
INVESTIGACIOacuteNPRIMER PARCIAL
Investigar y desarrollar los siguientes temas
bull Reacciones exoteacutermicasbull Reacciones endoteacutermicasbull Motivos y alcances ecoloacutegicos sociales y
econoacutemicos de la Cataacutestrofe en Bhopal India
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Entonces se cumple
Q liberado por la reaccioacuten - Q absorbido por el agua y caloriacutemetro
Qreaccioacuten = - (ma Ca + mc Cc) (T2 ndash T1)
En ocasiones para simplificar el producto mc Cc se expresa como la constante del caloriacutemetro (kc) cuyas unidades son JordmK quedando la expresioacuten como
Qreaccioacuten = - (ma Ca + kc) (T2 ndash T1)
=
Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
Caloriacutemetro de Berthelot
consistente en dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro en el maacutes interno se realiza la reaccioacuten y la caacutemara de aire entre ambos evita las peacuterdidas de calor
Trabajo producido por las reacciones quiacutemicas
ES POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
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Otros tipos de caloriacutemetros uacutetiles para otro tipo de reacciones por ejemplo reacciones de disolucioacuten o de neutralizacioacuten entre un aacutecido y una base
En estos casos se puede utilizar el caloriacutemetro de Berthelot o bien una variante simplificada
En este tipo de caloriacutemetros el cierre no es hermeacutetico por lo que la reaccioacuten se produce a presioacuten constante
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Por ejemplo para la expansioacuten de un gas en un eacutembolo bajo presioacuten externa constante (es el caso de la maacutequina teacutermica de vapor) el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente seraacuteW = - PVDonde P es la presioacuten externa e DV es la expansioacuten de volumen experimentada por el eacutembolo
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