Primera Ley de La TermodináMica

PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA Compilación hecha por: ROBERTO GUTIÉRREZ PRETEL Ingeniero Químico, M. Sc. Profesor Titular ALEXANDER GUTIÉRREZ MOSQUERA Químico, M. Sc. Profesor Asistente Universidad Tecnológica del Chocó “Diego Luis Córdoba”

Factibilidad de una reacción química ¿Cuáles la fuerzaimpulsora de unareacciónquímica? ¿Cuántaenergíaestáinvolucrada en los cambiosquímicos? ¿Cómoestáasociadaestaenergía con la estructura y naturaleza de los reactivos? ¿Cómocuantificaremosesaenergía? ¿Cómosabremossi la reacciónesexotérmica o endotérmica? ¿Cómo se puedepredecirsi el sistemaesestableconociendo el cambio de energía del proceso?.

TERMODINÁMICA Es la rama de la química que estudia los cambios de energía que acompañan a todo proceso y las leyes que rigen dichos cambios, es decir, al identificar y medir los cambios energéticos asociados a una reacción, la termodinámica intenta determinar qué es lo que impulsa la reacción y qué es lo que determina su fin.

Energía Energíaes la capacidadparaefectuar un trabajo. Es una propiedad característica del sistema, que al variar, produce un efecto exterior al sistema tal como elevar o hacer descender un peso y/o la temperatura, más generalmente, producir un cambio en el estado del medio.

Clases de Energía Entre otras: ,[object Object]

Energía químicaes la energía guardada dentro de los enlaces de sustancias químicas.

Energía nucleares la energía guardada dentro de la colección de neutrones y protones en el átomo.

Energía eléctrica es la energía asociada con el flujo de electrones.

Energía potenciales la energía disponible en función de la posición de un objeto y/o de su composición.

Energía cinéticaes la energía disponible en función del movimiento.,[object Object]

Conceptos termodinámicos SISTEMA: parte del universo objeto de estudio LIMITES : es toda pared, contorno o borde real o ideal que separa el sistema del ambiente. sistema + ambiente = universo. AMBIENTE (alrededores o entorno): es todo lo que rodea al sistema y generalmente interactúa con él. Limites universo ambiente Sistema En reacciones químicas…SISTEMA = Sustancias químicas

Tipo de Limite ,[object Object],[object Object]

Tipo de Limite Limite permeable: pared que permite el paso de materia através de ella

Tipo de Limite ,[object Object], materia

Tipo de Limite ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object]

Tipos de sistemas ,[object Object],Tienen energía y masa constante debido a que sus paredes son: ,[object Object]

adiabáticas, impidiendo el flujo de calor

impermeables al intercambio de materia.,[object Object]

Variables o propiedades termodinámicas Son las propiedades macroscópicas, observables y cuantificables de la materia, también se denominan variables de estado tales como el volumen, la presión, la temperatura, la composición, la densidad y pueden ser intensivas o extensivas.

Propiedades intensivas Son aquellas que no dependen de la cantidad de materia y tienen un mismo valor en cualquier punto del sistema, ejemplo: la presión, la temperatura, la densidad, el punto de ebullición, punto de fusión, viscosidad, las variables de composición (porcentaje en peso, molaridad, normalidad, partes por millón etc.).

Propiedades extensivas Son aquellas que dependen de la cantidad de materia y son aditivas, como la masa y el volumen.

Propiedades de un sistema Si cada propiedad intensiva es constante a lo largo de un sistema, este eshomogéneo, como las soluciones saturadas o insaturadas.

Propiedades de un sistema Un sistema no homogéneo se denomina heterogéneo y cada parte homogénea de él se llama fase. Eso quiere decir que sus propiedades intensivas cambian en algunos puntos.

Tipos de mezclas heterogéneas

Conceptos Termodinámicos Un sistema se encuentra en un estado definidocuando cada una de sus propiedades tiene un valor determinado. Ejemplo: T = 380 K; P = 245 MPa; V=5 m3

Conceptos Termodinámicos Sometemos un sistema a uncambio de estado cuando existe unas condiciones específicas iniciales hasta unas condiciones específicas finales. El cambio de estado está completamente definido cuando se especifican el estado inicial y el final.

Conceptos Termodinámicos La trayectoria del cambio se define especificando el estado inicial, la secuencia de estados intermedios que va tomando el sistema y el estado final.

Conceptos Termodinámicos El proceso es el método de operación mediante el cual se realiza el cambio de estado. Calentamiento fusión calen.. evaporación calen..

Conceptos Termodinámicos Ciclo: Cuando un sistema sometido a un cambio de estado regresa a su estado inicial se dice que realizó un ciclo. El proceso mediante el cual se realiza el cambio se denomina proceso cíclico.

Conceptos Termodinámicos Una variable de estadoes aquella que tiene un valor definido cuando se especifica el estado de un sistema. Ejemplo: P = 345 MPa Ecuación de estado: el estado de un sistema se puede definir completamente mediante cuatro propiedades observables o variables de estado; éstas son: la composición, presión, volumen y temperatura. por ejemplo para un mol de gas ideal PV = RT

Conceptos Termodinámicos Función deestadoes aquella que sólo depende del estado inicial y final del sistema y no de su recorrido o historia previa por ejemplo el volumen, la temperatura, la presión y la energía interna.

Conceptos Termodinámicos Función de trayectoriaes aquella que depende de la historia previa o del recorrido o trayecto del proceso cuando un sistema cambia de estado, por ejemplo el calor, el trabajo.

Procesos termodinámicos Son aquellos que afectan a un sistema termodinámico al cambiar de un estado a otro (p. ej. una reacción química). Se reconocen dos tipos extremos e ideales de procesos termodinámicos: Proceso termodinámico irreversible y reversibles

Procesos termodinámicos Procesos Irreversibles: Son aquellos que cambia de un estado metaestable a un estado más estable de menor energía y no se pueden revertir. Procesos reversibles: Son aquellos que cambia de un estado inicial estable a un estado final también estable, pasando por una secuencia continua de estados de equilibrio y se pueden revertir

Equilibrio termodinámico La termodinámica clásica trata con sistemas en equilibrio. El concepto de equilibrio puede dividirse en tres tipos: a) Equilibrio mecánico: donde las fuerzas que actúan sobre el sistema, como las que actúan en su interior, están equilibradas, no existe aceleración ni turbulencia en el sistema.

Equilibrio termodinámico b) Equilibrio material: en el cual no existen reacciones químicas globales en el sistema, ni hay transferencia neta de masa de una parte del sistema a otra, las concentraciones de las diversas especies químicas del sistema son constantes con el tiempo. Reacción: H2 + I2 = 2 HI

Equilibrio termodinámico c) Equilibrio térmico: no puede haber variación en las propiedades del sistema o medio ambiente cuando están separados por una pared diatérmica. Un sistema está en equilibrio termodinámico cuando no se observa ningún cambio en sus propiedades termodinámicas a lo largo del tiempo, en donde se presentan los tres tipos de equilibrio.

Ley cero de la termodinámica Los sistemas en equilibrio térmico tienen entre sí una misma propiedad que llamaremos temperatura. Por definición dos sistemas en equilibrio térmico tienen la misma temperatura. TA TA TB TC TC Dos sistemas en equilibrio térmico con un tercero lo estarán entre sí.TA = TB = TC

Energía interna (U) Es la energía que tienen los cuerpos. Está asociada a los átomos y moléculas que lo forman. Las contribuciones a la energía interna son: ,[object Object]

Energía química (de los enlaces atómicos que forman las moléculas)

Energía cinética (microscópica) de los átomos y moléculas

Energía potencial (microscópica) de interacción entre las moléculasLa energia interna es la suma de las diferentes contribuciones de las energías potencial y cinética, que incluyen la traslacional, rotacional, vibracional, electrónica, nuclear, potencial y las contribuciones de la masa.

Variación de la energía interna Consideremos un sistema en un estado termodinámico inicial I(determinado por sus variables Ui, Ti, Pi y Vi), que es llevado a un estado termodinámico final F (determinado por sus variables Uf, Tf, Pf y Vf), a través de uno o más procesos termodinámicos, tal que su energía interna U puede variar:

Trabajo es la energía que le transfiere un cuerpo a otro cuando lo “empuja”, lo “jala” o lo “levanta”

El cuerpo que ejerce la fuerza sobre el otro cuerpo “pierde” parte de su energía total. Esta energía la “gana el otro cuerpo”

El trabajo está dado por el producto de un factor de intensidad X(tal como fuerza) y un factor de capacidadY(tal como distancia): dw= Xdy

Tipos de Trabajo ___________________________________________________ Proceso dw= Xdy Comentarios ___________________________________________________ Trabajo mecánico dw = FedlFe = fuerza externa l = desplazamiento Trabajo tensión dw= kldl kl = tensión l = desplazamiento Trabajo superficial dw = gdA g = tensión superficial A = área Trabajo gravitacional dw= mgdl m = masa g = constante gravitacional l = desplazamiento ______________________________________________________

Tipos de Trabajo ___________________________________________________ Proceso dw= Xdy Comentarios ___________________________________________________ Trabajo expansión dw= -PdV P = presión externa V = volumen Trabajo de celda dw= ∆VdQ ∆V = diferencial de potencial eléctrico Electroquímica dw = ∆VIdt Q = cantidad de electricidad I = corriente eléctrica t= tiempo ___________________________________________________

Sistema inicial para el estudio trabajo Embolo (pistón) móvil Cilindro Gas Moléculas del gas

Trabajo en los cambios de volumen

Trabajo y diagrama P-V Trabajo en los cambios de volumen P = F/A F = P A El casomás simplees un procesotermodinámicoqueimplicacambios en el volumen a presión externa constante.Aplicando el concepto detrabajomecánico: W = F x Como P = F/A  F = P A: W = P A x Como A x = V: W = PV = P (Vf – Vi ) Sólo se realiza trabajo cuando hay cambio de volumen

Trabajo y diagrama P-V + w SISTEMA - w Convención de signos para W Expansión(Vf >Vi) (el sistema hace trabajo sobre los alrededores) V > 0 entonces W > 0 Para que W < 0 se antepone Compresión(Vf < Vi) (los alrededores hacen trabajo sobre el sistema) V < 0 entonces W < 0 Para que W > 0 se antepone W = -PV = -P (Vf – Vi )

Calor (q) Se define como la energíaque se transfiere entre un sistema y susalrededoresdurante un cambio en el estado del sistema y se transfierecomoresultado de unadiferencia de temperatura entre el sistema y susalrededores. Al menosque se realicetrabajo, el calortransferidoestarádirigidodesde el punto de mayor temperatura al de menortemperatura. Radiación Conducción Convección

Temperatura Temperatura = Energía térmica 900C 400C Temperatura es una medida de energía térmica (calor). mayor energía térmica menor energía térmica

Convención de signos para calor Ambiente Ambiente Exotérmico (-) Endotérmico (+) Ambiente

Energía interna (U) Es la energía que tienen los cuerpos. Está asociada a los átomos y moléculas que lo forman. Trabajo (w) ,[object Object],Calor (q) Es la energía que se transfiere entre un sistema y sus alrededores durante un cambio en el estado del sistema

Función de energía interna Primera ley de la termodinámica DEuniverso = DEsistema + DEambiente = 0 Es el principio de conservación de la energía aplicado a un sistema: la energía no puede crearse ni destruirse,sólo transformarse de una forma a otra.

Función de energía interna Primera ley de la termodinámica - q + q + w - w Ambiente DU = q + w Sistema q = calor agregado al sistema w = trabajo realizado por los alrededores sobre el sistema DU = incremento en la energía interna

Procesos adiabáticos Un procesoadiabáticoesaquel en el que no hay intercambio de energíatérmicaq entre un sistema y susalrededores. De la primeraley: DU= q + wSi q = 0(procesoadiabático) entonces, DU= 0 + w Por lo tanto, w= DU

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