Termoquímica 2016 - Colegio La Mision

Termoquímica
LA TERMOQUÍMICA ES PARTE DE LA
TERMODINÁMICA, QUE ES EL ESTUDIO
CIENTÍFICO DE LA CONVERSIÓN DEL CALOR
Y DE OTRAS FORMAS DE ENERGÍA
Introducción a la Termodinámica
 En la Termodinámica se examinan los cambios de
un sistema, que se define por los valores de todas
sus propiedades macroscópicas importantes, por
ejemplo; composición, energía, temperatura,
presión y volumen.
Termo=calor
dynamis=fuerza
Leyes de la termodinámica
 Ley cero: se refiere a la temperatura como una
propiedad del sistema.
 Primera ley: basada en la conservación de la energía.
 Segunda ley se refiere a la entropía como propiedad
del sistema.
 Tercera ley: a cero Kelvin, la entropía de toda
sustancia pura en estado cristalino perfecto es cero
SISTEMAS TERMODÍNÁMICOS
 Un sistema termodinámico: es una parte de
materia que se aísla, mediante límites reales
o ficticio, para su estudio.
 Entorno: es todo aquello que rodea al
sistema, pudiendo o no relacionarse con él.
 El conjunto del sistema con el entorno
forman el universo.
Sistema + Entorno = Universo
Tipos de sistemas
 Sistema Abierto: intercambia materia y energía
con el entorno, generalmente en forma de calor.
Ejemplo, una taza con agua caliente.
 Sistema Cerrado: intercambia energía pero no
materia con el entorno. Ejemplo, el termómetro.
 Sistema Aislado: no intercambia materia ni
energía con el entorno. Este es un sistema ideal
que realmente no existe.
SISTEMAS QUÍMICOS
Tipos de límites en los sistemas
 Pared impermeable: no permite traspaso de materia
 Pared permeable: permite el traspaso de materia
 Pared adiabática: no permite la transferencia de calor.
 Pared diatérmica: permite transferencia de calor
 Pared rígida: no se mueve ni desplaza
 Pared no rígida o móvil: se mueve y puede desplazarse.
Define y clasifica los siguientes sistemas
termodinámicos:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
La Tierra y su atmósfera
Una bebida gaseosa en lata
Un termo con agua caliente
Molécula de agua en el aire
Vaso con agua
Globo inflado con N2
Cilindro de gas licuado cerrado
Huevo de gallina
Cápsula espacial
¿Cuándo un sistema esta en equilibrio
termodinamico?
 Cuando se encuentra en equilibrio térmico, químico
y mecánico.
 Es decir, no cambia la temperatura, composición
química y no se producen movimientos del sistema.
 ¿Somos o no un sistema en equilibrio
termodinámico?
 Para ello observate en un espejo durante algunos
minutos y predice tu imagen en un tiempo mayor.
Propiedades de un sistema o variables de estado
Variables extensivas
 Dependen de la cantidad
de materia, y su valor no
se puede definir en
cualquier punto del
sistema. Por ejemplo:
masa, volumen .
Variables intensivas
 Son
independientes de
la cantidad de materia
y su valor puede
determinarse en
cualquier punto del
sistema. Por ejemplo;
densidad, temperatura,
presión, concentración
t ebullición y fusión
Las variables de estado permiten que cualquier
científico reconstruya las condiciones exactas de un
sistema.
Funciones de estado
 La termodinamica caracteriza a un sistema en estado
de equilibrio mediante propiedades como: V, P, T y
composicion; estas magnitudes se conocen como
funciones de estado.
 V, P, T y energía interna dependen solo del estado
del sistema y no su trayectoria.
 Existen otras funciones de estado como: entalpía y
entropía.
 El calor y trabajo no son funciones de estado (
dependen de la trayectoria).
Ecuaciones de estado
 La termodinámica utiliza un lenguaje matemático
 Las funciones de estado se relacionan entre sí
mediante una ecuación, llamada ecuación de estado.
Por ejemplo, para un gas ideal la ecuación de estado
es:
P x V =n x R x T
Ejercicio:
 Se tiene un volumen de 2,5 ml de un gas en un
pequeño contenedor. La presión del gas a la
temperatura ambiente de 22°C es de 685 mmHg. Si
tomas el contenedor entre tus manos y la
temperatura sube a un valor de 37°C. ¿Cuál será la
presión del gas en esta nueva condición?
Estado de un sistema
 Se determina por los
valores de sus
propiedades.
 Al cambiar las
propiedades intensivas
de un sistema diremos
que ha ocurrido un
cambio de estado.
 ∆X= X final – X inicial.
2.- Desarrolla los siguientes ejercicios:
¿Qué cantidad de calor se necesita para
calentar 200 g de aluminio desde 20 a
30°C? el calor específico del aluminio es
0,90 J/g °C
Energía, calor y trabajo.
Para levantar una caja se requiere energía
en forma de trabajo mecánico para
vencer la fuerza de gravedad que se
ejerce sobre la caja. El trabajo (W)
requerido para levantar la caja a una
distancia (d) del suelo depende de la
fuerza de gravedad ( F ) que actúa sobre
la caja, entonces W = F · d.
Al levantar el objeto sentiremos “calor”, el
que irá en aumento si la tarea se
repite varias veces, puesto que reacciones
químicas en nuestro cuerpo
generan calor. Conforme se siente más
calor, éste se transfiere al aire más
frío que nos rodea. Así, vemos que el
levantamiento de las cajas nos obliga a
gastar energía en dos formas: trabajo
realizado sobre el objeto y calor
liberado al entorno.
¿Cuál es el W en esta situación?
Energía cinética y potencial
Ec = ½ mv2
La unidad SI para la energía es el
joule (J) en honor a James Prescott
Joule (1818-1889), científico
británico que investigó el trabajo y el
calor:
1J = 1 kg m2/s2.
¿Qué energía posee un objeto de
masa 2 kg que se mueve a una
velocidad de 1 m/s?
Ec = ½ mv2
La ecuación expresa cuantitativamente que tanto la
masa como la velocidad de un objeto determinan qué
cantidad de trabajo puede realizar. Por ejemplo,
supón que debes poner un clavo en la pared de tu
habitación y tienes dos instrumentos para “clavarlo”:
un alicate y un desatornillador. ¿Cuál de los dos
utilizarías?
Ep = m · g · h
La energía almacenada se llama energía potencial
(Ep), y es el resultado de las atracciones y
repulsiones que un objeto experimenta en relación
con otros objetos.
Donde:
m Es la masa del objeto.
g Corresponde a la constante gravitacional (9,8
m/s2).
h Es la altura del objeto respecto del suelo.
Evalúa en términos de Ec, Ep, W y q
¿Tiene alguna relación la Ec y Ep con la química?
Pues bien, relacionar los cambios de energía del mundo macroscópico
con la energía cinética y la potencial de los sistemas en el nivel atómico
o microscópico es un objetivo central para la química.
Por ejemplo, los combustibles liberan energía cuando se queman en
presencia de oxigeno . Esta energía química tiene su origen en la
energía potencial almacenada en las organizaciones de átomos de la
sustancia.
Como señala Brown en su texto “Química, la ciencia central”, las
partículas cargadas también tienen energía potencial a causa de las
fuerzas de atracción y repulsión electrostática entre ellas. Así, un
electrón tiene energía potencial cuando está cerca de un protón,
porque se atraen.
ENERGÍA INTERNA
 ∆E universo= ∆E sistema + ∆E entorno = 0
 E total sistema= Ec + Ep
 ∆U= U final – U inicial
Primera ley de la termodinámica
Actividad:
 Calcula el cambio de energía interna de un sistema
que ha realizado un trabajo de 14,3 kJ y que se ha
entregado una cantidad de calor igual a 34,5 kJ.