Fisicoquímica I - Universidad de Chile

1.- INFORMACION GENERAL
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
ASIGNATURA:
DEPARTAMENTO:
CARRERA:
CARACTER:
REGIMEN:
CODIGO:
REQUISITOS:
SECCIONES
1.9 DURACION:
1.9.1
1.9.2
1.9.3
1.9.4
1.9.5
1.9.6
1.10 SEMESTRE:
FISICOQUÍMICA I
Química Orgánica y Fisicoquímica
Ciclo común
Obligatorio
Semestral
Química General II, Física II
2 grupos de clases paralelas
 9 grupos de seminarios (25 al.)
...75.....hrs/alumno totales
...45.....hrs/alumno teórica
... -......hrs/alumno práctica
....30...hrs/alumno seminario
15 semanas lectivas
10 N° Créditos.
Otoño
2.- INTRODUCCION
2.1 Propósitos:
El propósito de este curso es introducir al alumno en la comprensión de procesos desde el
punto de vista termodinámico y sus aplicaciones.
2.2 Descripción de la Asignatura:
Es una asignatura teórica en el ámbito de la fisicoquímica que utiliza la formulación
matemática de la termodinámica para interpretar fenómenos físicos y químicos.
3.- OBJETIVOS EDUCACIONALES
3.1 Objetivos generales:
El objetivo de este curso es desarrollar la termodinámica y aplicarla a sistemas simples y de
composición variable en cualquier estado de agregación, privilegiando el análisis riguroso y la
predicción de consecuencias en fenómenos físicos y químicos.
3.2 Objetivos específicos:
3.2.1 Objetivos específicos de conocimientos:
El alumno será capaz de:
- Describir, interpretar y aplicar diferentes propiedades termodinámicas en forma
conceptual, matemática y gráfica
- Interpretar el comportamiento de los gases.
- Distinguir y relacionar las leyes de la termodinámica.
- Interrelacionar sistemas de unidades.
- Caracterizar los parámetros que definen un sistema termodinámico.
- Identificar y relacionar calor, energía interna y trabajo.
- Identificar e interpretar propiedades como entalpía, capacidades caloríficas,
entropía, energía libre de Gibbs y Helmholtz.
1
-
Relacionar criterios de equilibrio y espontaneidad.
Establecer las condiciones del equilibrio termodinámico.
Establecer propiedades y zonas de equilibrio en sistemas multicomponentes.
Entender que la magnitud calculada para una propiedad con auxilio de la
termodinámica, representa el valor teórico para esa propiedad y puede ser
diferente del valor experimental.
3.2.2 Objetivos específicos de habilidades:
- Expresar gráfica y termodinámicamente secuencia de cambios consecutivos.
- Resolver problemas aparentemente complejos mediante aproximaciones razonables,
suponiendo condiciones de idealidad.
- Resolver problemas numéricos indicando la secuencia de procedimientos matemáticos,
incluyendo los comentarios y las condiciones físicas bajo las cuales se realiza el
cálculo.
- Analizar críticamente los resultados de los problemas planteados.
3.2.3 Objetivos específicos de actitudes:
- Asistencia regular a clases.
- Planificar el tiempo de dedicación y promover la continuidad en el estudio en forma
individual y/o grupal.
- Consultar en forma periódica al grupo docente sobre materias no comprendidas.
- Tener una actitud crítica constructiva en el análisis conceptual y numérico.
4.- CONTENIDOS
4.1 CONTENIDOS DEL CURSO:
CAPITULO 1: GASES
1.1 Gases ideales.
Leyes de los gases
Ecuación de estado de los gases ideales.
Ley de presiones parciales de Dalton.
1.2 Gases reales.
Factor de compresibilidad Z. Isotermas de un gas real. Constantes críticas.
Ecuación de van der Waals, isotermas.
Ecuación de estado reducida.
Diagrama de compresibilidad generalizado.
1.3 Teoría cinético-molecular de los gases.
Postulados.
Energía cinética media. Velocidades medias.
1.4 Funciones de distribución.
Distribución de velocidades y de energía de Maxwell.
1.5 Colisiones en un gas.
Colisiones moleculares.
2
CAPITULO 2: TERMODINÁMICA
2.1 Definiciones Termodinámicas
Sistemas termodinámicos . Tipos de paredes. Sistema, entorno y universo.
Equilibrio termodinámico
Estado termodinámico. Funciones de estado y de trayectoria.
2.2 Ley cero de la termodinámica.
Definición de la temperatura.
Termómetros de mercurio y de gas.
2.3 Primera ley de la termodinámica
Conceptos generales sobre el calor, el trabajo y la energía interna.
Trabajo reversible e irreversible.
Trabajo de expansión isotérmico reversible e irreversible.
Coeficientes de dilatación térmica y de compresibilidad.
Cambios de estado a volumen y a presión constante.
Entalpía.
Propiedades de la energía interna, dependencia con la temperatura.
Experimento de Joule. Propiedades de la entalpía. Entalpía a presión constante.
Capacidades caloríficas a presión y volumen constante, dependencia con la
temperatura.
Aplicaciones de la 1ª ley de la termodinámica.
2.4 Termoquímica
Reacciones endo- y exotérmicas, bajo condiciones isotérmicas y adiabáticas.
Estado estándar.
Reacción de formación y entalpía de formación estándar.
Leyes termoquímicas.
Efecto de la temperatura en la entalpía de reacción.
Ecuación de Kirchhoff.
Mediciones calorimétricas de cambios de energía interna y entalpía.
Diversos tipos de entalpías.
Temperatura de llama y de explosión.
2. 5 Segunda ley de la termodinámica. La entropía
Máquinas térmicas.
Ciclo de Carnot. Eficiencia.
Formulación de Kelvin-Planck y de Clausius sobre máquinas térmicas.
Escala termodinámica de temperatura.
Definición de entropía.
Relación entre la 1ª y 2ª ley de la termodinámica.
Entropía en función de temperatura y volumen.
Entropía en función de temperatura y presión.
Cambios de entropía. Aplicaciones.
Procesos reversibles e irreversibles aplicados a diferentes sistemas:
Entropía y probabilidad. Ecuación de Boltzmann.
3
2.6 Tercera ley de la termodinámica
Proposiciones de Nernst-Simon y de Planck.
Cálculo de entropía partiendo desde el cero absoluto.
Magnitudes de la entropía en sólidos, líquidos y gases.
Cambio de entropía en reacciones químicas.
2.7 Funciones de energía de Helmholtz y de Gibbs
Transformación a temperatura constante.
Energía libre de Helmholtz.
Transformación a temperatura y presión constantes.
Energía libre de Gibbs. Trabajo máximo.
Criterios de espontaneidad, de equilibrio y de no-espontaneidad.
Ecuaciones fundamentales de la termodinámica.
Relaciones de Maxwell.
Dependencia de la energía libre con la temperatura.
Ecuaciones termodinámicas de estado. Aplicaciones.
CAPITULO 3.
EQUILIBRIO
3.1 Aspectos generales
Ecuación fundamental.
Potencial químico.
3.2 Equilibrio químico
Condiciones de equilibrio.
Variación de la energía libre en función del avance de la reacción.
Equilibrio químico en una mezcla de gases ideales.
Ecuación de Van't Hoff.
Equilibrio químico en disoluciones.
Equilibrio heterogéneo.
3.3 Equilibrio de fases
Regla de las fases.
Relación del potencial químico con la presión y la temperatura.
Ecuación de Clapeyron. Diagrama de fases.
Ecuación de Clausius-Clapeyron.
Cambios de fase de orden superior.
CAPITULO 4. DISOLUCIONES
4.1 Cantidades molares parciales.
Propiedades de mezcla y de exceso.
Determinación de cantidades molares parciales.
4.2 Disoluciones ideales.
Funciones termodinámicas de mezcla.
Ecuación de Gibbs-Duhem.
4
4.3 Disolución no ideal
Actividad y coeficientes de actividad.
Funciones de exceso.
Determinación de actividad y coeficientes de actividad.
CAPITULO 5. EQUILIBRIO DE FASES EN SISTEMAS MULTICOMPONENTES.
5.1 Propiedades coligativas
Disminución de la presión de vapor. Ley de Raoult.
Descenso crioscópico.
Aumento de la temperatura de ebullición.
Presión osmótica.
5.2 Disoluciones binarias.
Diagrama de fases
Equilibrio líquido-vapor
Regla de la palanca.
Diagrama temperatura-composición.
Ley de Henry.
Mezclas no-ideales. Mezclas azeotrópicas.
5.3 Equilibrio entre fases condensadas
Equilibrio líquido-líquido. Miscibilidad parcial.
Equilibrio sólido-líquido.
Disoluciones sólidas.
Diagrama eutéctico simple.
Solubilidad.
Sistemas ternarios.
4.2 BIBLIOGRAFIA:
1. Levine, I.N., "Fisicoquímica" 4ed Ed. McGraw Hill (1996).
2. Castellan, G.W., "Fisicoquímica" 2da Ed. Español. Addison Wesley Iberoamericana
(1987).
3. Atkins, P.W., "Fisicoquímica" 3ra Ed. Addison Wesley Iberoamericana (1991).
5.- METODOLOGÍA
- Clases expositivas con ayuda de transparencias.
- Trabajos complementarios del alumno.
- Guías de problemas, consulta y desarrollo en seminarios.
6.- EVALUACIONES
- 6 Pruebas de Seminarios, ponderación 15 %.
- Pruebas A, Ponderación 20% y 25%.
El curso contempla una Prueba PRE y un examen con las condiciones y porcentajes
que establece el Reglamento Interno de Facultad.
5
7.- CALENDARIO
1ª. Semana
2ª Semana
3ª Semana
4 ª Semana
5 ª Semana
6ª Semana
7ª Semana
8ª Semana
9ª Semana
10ª Semana
11ª Semana
12ª Semana
13ª Semana
14ª Semana
15ª Semana
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
Teoría cinético molecular de los gases.
Gases reales.
Termodinámica
Termodinámica
Termoquímica
Termodinámica
Termodinámico
Equilibrio químico.
Equilibrio químico.
Equilibrio de fases.
Equilibrio de fases.
Disoluciones ideales y no ideales.
Sistemas multicomponentes.
Sistemas multicomponentes.
Sistemas multicomponentes.
6