APUNTES DE FISICO QUIMICA Agua Materia Aire Fuego Tierra Universo Materia Energ’a Termodinámica: Estudio de las transformaciones de la energía Termodinámica Química: Cambios energéticos en el trascurso de una 2 reacción química Importancia: Procesos industriales Procesos biológicos Objetivo: Investigar lógicamente las relaciones entre las diferentes clases de energía y sus manifestaciones “Las leyes termodinámicas, rigen las transformaciones de un tipo de energía en otra” Tipos de energía: Potencial, térmica, química, nuclear, etc. Un generador produce energía eléctrica ?? Un motor produce energía mecánica ?? “La energía solo se transforma” Resultado importante: “Ley de la conservación de la energía” Conceptos básicos: Calor, trabajo y energía Sistema: Parte del universo 3 Alrededores:donde producen las observaciones Sistema abierto: transferencia de material entre el sistema y los alrededores Sistema cerrado: caso contrario Sistema aislado: sistema cerrado sin contacto mecánico ni térmico con los alrededores Trabajo: Proceso para producir un cambio Energía: capacidad para producir trabajo Trabajo sobre un sistema aislado 4 (a) Trabajo Sistema Energ’a (b) Trabajo Sistema Energ’a Sistema T Alrededores Energ’a Flujo de calor Recipiente diatérmico Recipiente adiabático Ley cero de la termodinámica: Ley de equilibrio térmico 5 Primera Ley: verificación experimental de la transferencia de energía, ej: Calor y trabajo son formas equivalentes de cambios energía de un sistema. Ej: Sistema adiabático se produce la misma elevación de T con la misma cantidad de trabajo independiente de su fuente Tratamiento mecánico: Proceso adiabático Wad Sistema Estado inicial Estado final Wad es independiente de la trayectoria “Cuando un sistema cambia de un estado a otro a lo largo de cualquier trayectoria adiabática, la cantidad de trabajo efectuada es la misma con independencia del medio utilizado” Existe una propiedad de estado y no de la trayectoria 6 Wad=Uf-Ui donde U: energía interna Trayectoria no adiabática: Estado inicial Estado final WWad U=Uf-Ui q=U-W, Consecuencias de la 1 ley: U=0 q=0 w=0 “No hay transferencia de calor (energía) ni trabajo, es decir, la energía de un sistema aislado es constante” Expresión matemática: Sistema cerrado dU=dq+dw Convención de signos: dw, dq (+), se ha suministrado energía bajo calor o trabajo 7 dw, dq (-), el sistema ha perdido energía bajo la forma de calor o trabajo Trabajo mecánico: W’ trabajo efectuado por el sistema W trabajo efectuado sobre el sistema W=-W’ dW’= -F(z)dz W Zi Zf Zf ' W = -Fdz = - Z f Z i F Zi W’=(Zf-Zi)|F| Si Zf>Zi W’ (+) , W=-(Zf-Zi)|F|= -h|F| U aumenta o disminuye??? Fuerza constante Fuerza no constante: W ' = - Fz dz 8 W = Fz dz Trabajo de compresión y expansion: Pin presión interna, Pex presión externa Fuerza ejercida por el gas es + Pin*A Fuerza ejercida por el piston es –Pex*A Si Pex<Pin expansion (dz) contra F cte (-Pex*A) trabajo efectuado por el gas: dW’= -(-Pex*A)*dz donde A*dz=dV Trabajo efectuado por el sistema: dW’=Pex*dV Que ocurre al comprimir?? Trabajo efectuado sobre el sistema: dW=-Pex*dV Cual es el valor de U (+), (-) ?? Expansión libre: 9 Pex=0 dW’=0 y dW=0 Expansión contra presión constante: “Un gas se expande hasta que encuentra un tope mecánico o se iguala a la presión externa” W’=Pex*dV Pex=Cte Trabajo total Vf ' W = PexdV Vi Vf = Pex dV Pex Vf Vi Vi Trabajo efectuado por el sistema: W’=Pex*V Trabajo efectuado sobre el sistema: W=-Pex*V Expansión reversible: Reversible: cambios pequeños o infinitesimals equilibrio 10 Requisito: dW = -Pex*dV = -Pin*dV Pex = Pin - dP Trabajo de expansion reversible: W = - PindV Presión gas: ecuación de estado, gas ideal PV=nRT expansion isotérmica reversible: Vf Vf Vi vi W = - nRT / VdV - nRT 1/ V dV - nRT ln(Vf /V i ) Trabajo efectuado por el sistema: W’ = nRT ln(Vf/Vi) Trabajo efectuado sobre el sistema: W = -nRT ln(Vf/Vi) Proceso reversible, gas ideal 11 Que ocurre al aumentar o disminuir T?? Calor: “Al transferir energía a un sistema en forma de calor, se produce un cambio de estado, representado por un aumento temperatura” “La transferencia infinitesimal de calor, produce un aumento de T, que es proporcional a la cantidad de calor suministrada” dT dq ; dT = coeficiente*dq Coeficiente que depende de la composición, tamaño y estado del sistema dq = CdT C; capacidad calorífica o calor específico Cm capacidad calorífica molar: Cm = C/n Capacidad calorífica: “Si se conoce C, se puede medir la energía en forma de calor, midiendo el aumento de T” Ej: baño de agua que rodea un sistema, calefacción central 12 Capacidad calorífica a volumen constante (o isocórica) dq = CvdT Si y solo si, el sistema no puede cambiar de volumen ni efectuar ningún tipo de trabajo Si el sistema se somete a una presión constante, se puede expresar la expansión o contracción al ser calentado: dq = CpdT Capacidad calorífica a presión constante (o isobárica) Diferencia entre Cp y Cv ?? Cv expresado en función del calor suministrado en condiciones específicas (volumen constante). Se puede relacionar con el aumento de energía interna: dU = dq + dW = dq + dWe - PexdV -PexdV trabajo, dWe cualquier otra forma de trabajo 13 Si no se permite un cambio de volumen dV = 0 y si no se permite otro tipo de trabajo dWe = 0, entonces dU= dq ó dU = (dq)v Cv=dU/dT Entalpía Propiedad termodinámica que me relacione (dq)p H = U + pV dH = (dq)p U = U + dU P = P + dP V = V + dV H + dH = (U+dU) + (p + dp)(V+dV) = U + pV +dU + VdP + pdV + dpdV dH = dU + PdV + VdP Para un sistema en equilibrio mecánico a una presión P = Pex = Pin dU = dq + dWe - PdV dH = dq + dWe+ VdP 14 Si no hay trabajo pV y dWe y el calentamiento ocurre a presión constante , entonces pV, dWe y dP = 0 dH = dq Cp = (H/T)p “Si se calienta un sistema a presión constante y no se permite otro trabajo que pV, H aumenta en la misma cantidad de energía suministrada como calor” entalpía: H = U + pV (q) se mide en los alrededores y depende de la forma adoptada para la transferencia (H) depende de U, p y V funciones de estado como pV = nRT H = U + pV = U + nRT dH = dU + nRdT 15 Como dH = CpdT y dU = CvdT Cp-Cv = nR 16