La Termodinmica es un campo de la fsica que describe y relaciona las propiedades fsicas de sistemas macroscpicos (conjunto de materia que se puede aislar espacialmente) de materia y energa. Naci durante la primera mitad del siglo XIX, desarrollada por fsicos e ingenieros, cuyo inters fundamental era la compresin de las limitaciones que implicaba la conversin de la energa trmica en trabajo til, como tambin mejorar la eficiencia de operacin de la mquinas trmicas.Termodinmica

El estado de un sistema macroscpico en equilibrio puede describirse mediante variables termodinmicas, propiedades medibles como la temperatura, la presin o el volumen. Es posible identificar y relacionar entre s muchas otras variables (como la densidad, el calor especfico, la compresibilidad o el coeficiente de expansin trmica), con lo que se obtiene una descripcin ms completa de un sistema y de su relacin con el entorno. Cuando un sistema macroscpico pasa de un estado de equilibrio a otro, se dice que tiene lugar un proceso termodinmico.Termodinmica

La termodinmica basa sus anlisis en algunas leyes: La Ley "cero", referente al concepto de temperatura, la Primera Ley de la termodinmica, que nos habla de el principio de conservacin de la energa, la Segunda Ley de la termodinmica, que nos define a la entropa. Estas leyes se aplican a un sistema y sus alrededores. Termodinmica (Leyes)Por un sistema termodinmico se entiende la parte del universo que se desea investigar.Los alrededores representan la parte del universo con la que el sistema interacciona. Por lo general el sistema y sus contornos estn separados por medio de lmites fsicos reales, pero en ciertas circunstancias esta separacin es ms conceptual que real.

SISTEMA TERMODMICO: es aquella parte del universo en la que estamos interesados, puede ser tan sencillo como una reaccin qumica que se realiza en un matraz, o tan complejo como el contenido de un alto horno un lago contaminado.ALREDEDORES: el resto del universoUniverso = Sistema + AlrededoresTermodinmica (Sistemas)SistemaFronteraSistemaFronteraAlrededoresAlrededores

Termodinmica (Sistemas)Sistema abierto: es aquel en el cual la masa, circula a travs de los lmites o fronteras del sistema, entrando o saliendo de l, esta asociado con un espacio o un volumen fijo en el tiempo y recibe comnmente el nombre de Volumen de control. Sistema cerrado: es aquel en el que no se presenta ningn tipo de circulacin de masa a travs de sus lmites, esta asociado con una cantidad de materia (masa fija), y recibe el nombre de masa de control. Sistema aislado: es aquel que no puede intercambiar calor o trabajo con sus alrededores.

AbiertoCerradoAisladoTermodinmica (Sistemas)

Termodinmica (Ley Cero)La ley cero de la termodinmica que establece que: Si un cuerpo A est en equilibrio trmico con un cuerpo C y un cuerpo B tambin est en equilibrio trmico con el cuerpo C, entonces los cuerpos A y B estn en equilibrio trmico. Esta curiosa nomenclatura se debe a que los cientficos se dieron cuenta tardamente de la necesidad de postular lo que hoy se conoce como la ley cero: si un sistema est en equilibrio con otros dos, estos ltimos, a su vez, tambin estn en equilibrio. Cuando los sistemas pueden intercambiar calor, la ley cero postula que la temperatura es una variable de estado, y que la condicin para que dos sistemas estn en equilibrio trmico es que se hallen a igual temperatura.

Termodinmica (Ley Cero)ABCTaTbTcSi Ta = Tb y Tb = Tc

Entonces Ta = Tc

Termodinmica (Primera Ley)La primera ley de la termodinmica tiene que ver con la energa interna de un sistema. Aunque la termodinmica es independiente de toda teora especfica sobre la estructura de la materia (de hecho, fue desarrollada completamente como teora cientfica antes de que surgiera la teora atmica moderna), se reconoce actualmente que la energa interna representa la energa total que poseen las partculas fundamentales de la materia: energa cintica del movimiento translacional, energa vibracional asociada con los enlaces qumicos, energa rotacional de molculas poliatmicas. la energa de las atracciones intermoleculares, etc. En un sistema aislado permanece constante la energa interna total; o bien, s un sistema intercambia energa con sus contornos en forma de calor o trabajo, la energa interna aumenta o disminuye concordantemente, es decir la energa se conserva.

Termodinmica (Energa Interna)

Termodinmica (Primera Ley)La primera ley de la termodinmica se puede expresar por medio de una ecuacin matemtica sencilla:U = Q + WU: variacin de energa interna.Q: calor.W: trabajoPor convencin se tiene:+Q = calor absorbido por un sistema-Q = calor perdido por un sistema+W = trabajo realizado sobre un sistema-W = trabajo efectuado por el sistema.

ExteriorExteriorExteriorExteriorTermodinmica (Criterios de signos)

Termodinmica (Primera Ley)Por lo tanto, si un sistema absorbe energa calrica (+Q) y es sometido a un trabajo (+W), su energa interna aumenta en una cantidad U igual a la suma de Q y W. Si el sistema absorbe calor (+Q). Pero realiza un trabajo sobre sus contornos (-W), entonces la variacin de la energa interna es la diferencia entre estas dos formas de energa, U = Q-W, y el que esta diferencia sea positiva o negativa depende de las magnitudes de Q y W.

Termodinmica (Primera Ley)

Termodinmica (Primera Ley)EjemploUn sistema pierde 50 Joule de calor al ambiente, pero se realiza un trabajo sobre l de 60 Joule. Cul es la diferencia de energa interna?W=+60 JQ=-50 JU = Q + W U = -50 J + 60 J = 10 J

Termodinmica (Trabajo)El concepto termodinmico de trabajo: Como tantos otros conceptos fsicos elementales, es difcil definir trabajo en forma concisa y sin ambigedades. La definicin matemtica nos indica que es el producto de la Fuerza ejercida sobre un cuerpo (F) por el camino recorrido (d)W = F*dEjemplo: Un cuerpo se el aplica una fuerza horizontal de 10 Newton y se desplaza 2 metro. Calcule el trabajo:10 N2 mW = 10 N * 2 m = 20 N*m = 20 Joule

Termodinmica (Trabajo)Quizs lo ms adecuado que se pueda decir, es que trabajo se refiere a una accin entre un sistema y sus alrededores que se puede expresar en funcin de subir o bajar pesos. El tipo de trabajo ilustrado en la figura siguiente se llama trabajo presin-volumen. Al permitir que la presin de un gas disminuya, aumenta su volumen; y a medida que el gas se expande, levanta un peso, es decir realiza un trabajo.Trabajo presin-volumen a presin constante. W = P*VAl quitar una masa del pistn que encierra el gas, la restante es elevada a una altura h, realizndose trabajo.

Termodinmica (Funciones de Estado)La magnitud W que acompaa un cambio en un sistema depende del camino seguido. Se puede afirmar lo mismo en relacin con Q. Aunque los valores de Q y W dependen del camino seguido, su suma, Q + W, que es igual a U, es independiente de ste. Esta conclusin verdaderamente notable, aunque razonable, sirve de base para muchos clculos termodinnticos.La energa interna depende solamente de las condiciones que caracterizan a un sistema en un instante determinado y no de cmo hayan sido logradas esas condiciones. La condicin de un sistema se conoce como su estado, y toda propiedad que slo depende del estado inicial y final de un sistema, se llama funcin de estado.

Termodinmica (Funciones de Estado)La figura siguiente proporciona una analoga de una funcin de estado que tiene relacin con un escalamiento de una montaa. La ruta (A) es ms larga pero ms lisa, mientras que la (B), siendo ms corta, tiene ms dificultad tcnica al presentar acantilados. El tiempo necesario para escalar la montaa depende del camino elegido (y de la condicin fsica del escalador), pero la altura total que se logra es la misma. El tiempo de la escalada corresponde a Q y a W. La ganancia de altura, a U.

Termodinmica (Funciones de Estado)

Termodinmica (Propiedades de Estado)El estado de un sistema se describe proporcionando sus propiedades de estado. En termodinmica la propiedades de estado ms relevantes son: composicin, temperatura y presin.

La termoqumica es una parte de la termodinmica.Esta se preocupa de la transferencia de calor en reacciones qumicas. Se basa en el principio de conservacin de la energa: La energa ni se crea ni se destruye.En las interacciones entre un sistema y sus alrededores, la energa total permanece constante.Direccin y signo del flujo de calorLa energa se transfiere entre el sistema y su entorno debido a una diferencia de temperatura q es + cuando el sistema absorbe calor de los alrededoresq es - cuando el sistema cede calor de los alrededoresSistemaq 0q 0Termoqumica (Calor)

Endotrmico (q 0) : El sistema absorbe calor de los alrededores.(El reactor en una reaccin endotrmica se enfra) Exotrmico (q < 0) : El sistema cede calor de los alrededores.(El reactor en una reaccin exotrmica se calienta) q 0q < 0Procesos Endotrmicos y Exotrmicos

Calora (cal)La cantidad de calor requerido para cambiar la temperatura de un gramo de agua en un grado centgrado.Julio (J)Unidad de calor en el SI .1 cal = 4.184 JUnidades de energaMagnitud del Flujo de Calor

c = Calor Especfico Cantidad de calor necesaria para elevar en 1 C un gramo de una sustancia. (Unidades J/gC)Es una propiedad intensiva que puede utilizarse para identificar una sustancia.Para una sustancia pura de masa m, podemos escribir:Calor Especfico

Sustanciac (J/gC)Agua (l)4,18Cu(s)0.382Cl2(g)0.478Benceno1,72NaCl0.866

Medida del flujo de calor; Calorimetra La medida del flujo de calor en una reaccin se lleva a cabo en un dispositivo llamado calormetro.Paredes aisladasVaso interior con aguaVaso exterior que contiene la reaccin El nico flujo de calor se produce entre el sistema en reaccin y el calormetro. El flujo de calor para la reaccin que est ocurriendo en el sistema es igual en magnitud pero de signo opuesto al del calormetro.qreaccin = - qcalormetroUn calormetro sencillo se utiliza para reacciones en disolucin y se cumple:qreaccin = -m x 4.18 (J/gC) x t

Tapn aislanteTermmetroVidrio agitador

Medida del flujo de calor; Calorimetra Bomba calorimtricaAgitadorTerminales elctricos para la ignicin de la muestraTermmetroRecipiente externo aisladoAguaBomba de aceroRecipiente para la muestraqreaccin = - qcalormetro

qreaccin = - Ccalormetro x t

Termoqumica: Entalpa Entalpa, H: Es una funcin termodinmica, que se utiliza para describir procesos a presin constante. Para reacciones que tienen lugar a presin constante, el flujo de calor del sistema reacionante es igual a la diferencia de entalpa. Slo es posible medir incrementos de entalpa. SistemaSistemacalorcalorAlrededoresAlrededoresH = Hproductos - Hreactivos = Qp

Reaccin EndotrmicaReaccin ExotrmicaHproductos HreactivosHproductos HreactivosReactivosReactivosProductosProductosDiagramas de Entalpa

Ecuaciones Termoqumicas En las ec. termoqumicas deben aparecer las especies qumicas que intervienen en la reaccin, el estado y el valor de H.NH4NO3 (s) NH4+ (aq) + NO3- (aq) H2 (g) + Cl2 (g) 2HCl (g)

H = +28,1 kJH = -185 kJ

3- El valor de H de una reaccin es el mismo si sta ocurre en una etapa o en una serie de etapas Ley de Hessecuacin = ecuacin 1 + ecuacin 2 + .......H= H1 + H2 + .....

Ecuaciones Termoqumicas

H1 = H2 + H3Diagrama de entalpa para la combustin del metano por otras etapas: Ecuaciones Termoqumicas

Reaccin de formacin del dixido de nitrgenoEcuaciones Termoqumicas

Entalpas de Formacin Significado de Hof La entalpa de formacin molar estndar de un compuesto es igual a la variacin de entalpa cuando se forma un mol de compuesto a presin constante de 1 atm y una temperatura de 25C, a partir de los elementos en sus estados estables a esa presin y T.

La Hof de un compuesto a partir de sus elementos es normalmente una reaccin exotrmica:Entalpas de Formacin

Entalpas de formacin positivasEntalpas de formacin negativasEntalpas de formacin de los elementosEntalpas de Formacin

Hof de los iones en disolucin acuosa:Entalpas de Formacin

Clculo de Ho Para una ecuacin termoqumica dada, la variacin de entalpa estndar, Ho, es igual a la suma de las entalpas de formacin estndar de los productos menos la suma de las entalpas de formacin estndar de los reactivos. Entalpas de Formacin

Entalpas de Formacin Clculo de Ho

Entalpas de EnlaceLa entalpa de enlace se define como H cuando se rompe un mol de enlaces en estado gaseoso.Entalpa de enlace de un enlace mltiple es mayor que la de un enlace simple entre los mismos tomos:C-C = 347 kJ/molC=C = 612 kJ/molCC = 820 kJ/mol

En general, los enlaces en los reactivos son ms fuertes que los presentes en los productos.2HF (g) H2 (g) + F2 (g) H = - 2Hf0HF = +542,2 kJ Los enlaces del HF (565 kJ/mol) son ms fuertes que la media de los enlaces del H2 y del F2.: (436kJ/mol + 153 kJ/mol)/2 = 295 kJ/mol

Entalpas de Enlace

Entalpas v/s Energa InternaRecordemos el 1er Principio: U= q + w En reacciones a volumen constante, w = 0 U = qvEn reacciones a presin constante H = qp H = U + PVEn general, para una reaccin la diferencia entre H Y U es muy pequea, y se cumple: H = U + (PV) = U + (PV)productos- (PV)reactivos

Gasto de energa y balance energticoAlimentosValor combustible = energa obtenida cuando se quema un gramo de sustancia.1 Calora nutricional, 1 Cal= 1000 cal= 1kcal La energa en nuestro cuerpo procede de: las grasas, los hidratos de carbono y las protenas.En el intestino los carbohidratos son convertidos a glucosa:C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O, H = -2816 kJLas grasas se degradan:2C57H110O6 + 163O2 114CO2 + 110H2O, H = -75.520 kJLas grasas contienen ms energa, son insolubles en agua y constituyen un buen almacn de energa.

Valor combustible Carbohidratos Grasas Protenas kJ/g kcal/gComposicin aprox. (% masa) CarbohidratosGrasasProtenasManzanaCervezaPanQuesoHuevosDulce GuisantesHamburguesasLeche (entera)Mani

Composicin y energa de algunos alimentos Gasto de energa y balance energtico

CombustiblesComposicin elemental aproximadaValor combustibleMadera de pinoCarbn de AntracitaCarbn mineralCarbn vegetalCrudo (Petrleo)GasolinaGas naturalHidrgenoTipos de combustibles y su poder energtico