APUNTES DE FISICO QUIMICA

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
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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
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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
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(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
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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
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Wad=Uf-Ui
donde U: energía interna
Trayectoria no adiabática:
Estado inicial
Estado final
WWad
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
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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 ' = -  Fz dz
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W =
 Fz 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:
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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
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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 / VdV  - 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
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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
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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
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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
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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
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Como dH = CpdT y dU = CvdT
 Cp-Cv = nR
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