Termodinámica Energía Trabajo mecánico: Calor:

Termodinámica
Estudia las transformaciones de la energia en procesos
químicos y físicos.
Energía: capacidad para realizar trabajo o transferir calor.
Trabajo mecánico: aplicación de una fuerza a lo largo de
una distancia.
Calor: energía transferida debido a una diferencia de temperatura.
Baja
temperatura
Calor
Sistema
Alta
temperatura
Entorno
Sistema: porción del universo seleccionada para su estudio.
Entorno: lo que está alrededor del sistema.
Sistemas
abiertos
cerrados
aislados
abierto
cerrado
aislado
intercambian masa y Energía con el entorno
intercambian Energía con el entorno
no intercambian ni masa ni Energía con el entorno
sistema abierto : cuerpo humano, automóviles
sistema cerrado : baterías.
sistema aislado: termos
Sistema adiabático: no intercambia calor con el entorno.
Universo: sistema +entorno.
altitud
Funciones de estado: dependen sólo del estado del
sistema y no del camino por el que se llegó a ese estado.
Ej.: P, V, T.
d2
d1
∆h
Las distancias recorridas (d1, d2) no son funciones de estado.
La diferencia de altura (∆h) entre dos puntos si es función de estado.
Propiedades de las funciones de estado:
1. Fijando los valores de algunas de ellas quedan fijadas todas las
demás.
2. Los cambios en las funciones de estado dependen sólo del
estado final e inicial.
Las conclusiones termodinámicas en cuanto a las
posibilidades de cambio de un sistema están basadas en los
cambios que acompañan a las funciones de estado.
Calor específico (C): cantidad de calor requerida para elevar
1 grado centígrado la temperatura de 1 gr de sustancia
∆q
C=
m∆t
m : masa de sustancia
∆t : diferencia de temperatura
Ej.:agua , C = 1 cal/gr 0
reordenando se puede calcular la cantidad de calor de un proceso
∆q = mC∆t
Capacidad calorífica: cantidad de calor requerida para elevar 1
grado centígrado la temperatura de un mol de sustancia
[c] =cal/ 0 mol
Medida de los cambios de calor. Calorimetría
Calorímetro adiabático: no intercambia calor con el exterior
Σq = 0
mc∆t + E∆t + Qreacción = 0
Calor absorbido o cedido por el
agua contenida en el calorímetro
Calor absorbido o cedido por
distintas partes del calorímetro
Calor y trabajo
Experimento de Joule
Midió la conversión de energía mecánica en calor.
Pesas que caen hacen girar un conjunto de paleta y
calientan el agua.
Con el peso de los cuerpos y su descenso se mide el
trabajo mecánico y con la masa de agua y su elevación de
T se calculó el calor.
1 cal = 4,18 joules.
1 cal = 4,18 joules
Aparato empleado por Joule en la medición del equivalente mecánico del calor.
Las masas conocidas m se enrollan por medio de la manivela sobre el cilindro. La
cuerda pasa por dos poleas P perfectamente bien engrasadas. La altura de las
masas sobre el suelo es conocida, y la temperatura del agua se controla mediante
el termómetro.
Trabajo (w)
w = fuerza x distancia
Trabajo presión-volumen de un gas:
El gas realiza trabajo contra la presión externa P
Presión externa (P)
Pistón
Cambio de
volumen ∆V
d2
d1
A
w = fuerza x distancia= Fext (d2 – d1)=
(Fext /A)(d2 – d1)A= Pext (V2 –V1) = Pext ∆V
Convención termodinámica
W = - P∆V
Cuando el sistema realiza trabajo durante la expansión
(∆V > 0) el trabajo tiene signo negativo
Expansión y compresión de un gas ideal
Compresión
Expansión
disminución de volumen,
el entorno realiza trabajo
sobre el sistema
aumento de volumen,
el sistema realiza trabajo
sobre el entorno
w >0
w<0
V2 < V1
V2 > V1
∆V = V2 – V1 < 0
∆V = V2 – V1 > 0
W = -P ∆V > 0
W = -P ∆V < 0
∆E= q + w = q - P∆V
V2 es el volumen final y V1 el volumen inicial
El trabajo no es función de estado, depende del camino
10
P(atm)
10
P(atm)
8
6
5
4
2
0
0
0
2
4
6
8 10 12
V(litros)
a) Expansión irreversible en una etapa
W = -1atm(10-1)litros=-9 (l.atm)
0
2
4
6
8 10
V(litros)
b) Expansión irreversible en dos etapas
W1 = -5atm(2-1)litros=-5 (l.atm)
W2 = -1atm(10-2)litros=-8 (l.atm)
WT = W1 + W2 = -13 (l.atm)
El trabajo realizado por el sistema es mayor en dos etapas que en una sola
10
8
8
P(atm)
P(atm)
10
6
4
2
0
6
4
2
0
2
4
6
8 10
0
0 2
V(litros)
w = −(∑ p∆V )
4
6
8 10
V(litros)
Para un cambio infinitesimal
en la presión
(proceso reversible)
10
P(atm)
8
6
w = − ∫ pext dV
4
2
0
0
2
4
6
8
10
V(litros)
pext≅pgas
nRT
⎡ V 2⎤
= − ∫ pext dV = − ∫
dV = − nRT ⎢ln
⎥
V
1
V
⎣
⎦
v1
v1
v2
wrev
v2
Trabajo máximo de expansión isotérmica de un gas ideal
Primera ley de la termodinámica
Ley de conservación de la energía.
La energía total del universo permanece constante.
∆Ε = q + w
∆E cambio en la energía interna
q > 0 El sistema absorbe calor del entorno
q< 0 El sistema libera calor al entorno
w > 0 El entorno realiza trabajo sobre el sistema
w < 0 El sistema realiza trabajo sobre el entorno
∆Ε > 0 El sistema absorbe energía del entorno
∆Ε < 0 El sistema libera energía al entorno
Convención moderna
∆E = q + w
w = -P∆V
Convención antigua
∆E = q - w
w = P∆V
w>0
w<0
Trabajo realizado
por el entorno sobre el sistema
Trabajo realizado
por el entorno sobre el sistema
w<0
w>0
Trabajo realizado
por el sistema sobre el entorno
Trabajo realizado
por el sistema sobre el entorno
q < 0 calor cedido por el sistema al entorno
q > 0 calor absorbido por el sistema desde el entorno
Energía interna, E
Estado final
∆E
Trabajo , w
Calor, q
Estado inicial
∆E = q + w
Reservas de energía
interna
Sistema
Calor
∆E= q - P ∆V
A V cte, ∆E = qv
qv = Cv ∆t
∆E = Cv ∆t
Trabajo
Entalpía
H = E + PV
∆H = ∆E + ∆(PV)
A p cte
∆H = ∆E +P ∆V
∆E = q + w
∆H = q + w +P ∆V= q - P ∆V+ P ∆V
A P cte ∆H = qp
∆H = Cp ∆t
• Transformaciones isotérmicas (T cte)
Paredes adiabáticas
P= 0
∆E = 0
• w = 0. q = 0
Transformaciones isotérmicas ∆E = 0
• Transformaciones adiabáticas (q=0)
∆E = q + w = 0 - P∆V
∆H = ∆E + ∆(PV) = -P∆V + P∆V = 0
a p cte
Transformaciones a p y T cte
∆H = ∆E +∆(PV) = ∆E + P∆V
Gases P∆V = ∆nRT a T cte
∆H = ∆E + ∆nRT
Líquidos y sólidos ∆V≈0; P∆V ≈0; ∆H = ∆E