Capítulo 1: Termodinámica 1.1 1. Termodinámica: Es la rama de la ciencia que describe el comportamiento de la materia y la transformación entre las diferentes formas de energía a escala macroscópica, escala humana o mayor. 2. Variables macroscópicas: presión, volumen y temperatura. 3. Escala microscópica: se refiere a dimensiones del orden de tamaño de las moléculas. 4. Termodinámica Estadística: emplea propiedades atómicas y moleculares para calcular las propiedades macroscópicas de la materia. 1.2 Sistemas termodinámicos 5. Sistema termodinámico: está constituido por todos los materiales implicados en el proceso bajo estudio. 6. Resto del universo: medio ambiente o medio que lo rodea. 7. Sistema abierto: cuando el sistema intercambia materia con el medio que lo rodea. Por ejemplo: Vaso de café. 8. Sistema cerrado: cuando el sistema NO intercambia materia con el medio que lo rodea. Por ejemplo: Termómetro. - Ambos sistemas, abierto y cerrado pueden intercambiar energía con el medio ambiente. 9. Sistemas aislados: Sistemas que no pueden intercambiar ni materia ni energía con el medio que los rodean. Por ejemplo: Olla. 10. Límite: la interfase entre el sistema y el medio que lo rodea. Los límites determinan si se puede transferir energía y masa entre el sistema y el medio ambiente, dando lugar a la distinción entre sistemas abiertos, cerrados y aislados. - Para un vaso abierto en el que el sistema es el contenido, la superficie de la parte superior abierta del vaso. En este caso, puede haber intercambio de energía, libremente, entre el sistema y el medio que lo rodea a través de las paredes de las caras y el fondo, y se puede intercambiar energía y materia entre el sistema y el medio ambiente a través del límite superior abierto. La porción del límite formada por el vaso se denomina pared. 11. Pared: son siempre limitantes, pero un límite no necesariamente es una pared. 12. Las paredes pueden ser: rígidas o movibles y permeables o impermeables. 13. Equilibrio: el intercambio de materia y energía a través de lo límites entre el sistema y el medio que lo rodea. - El sistema y medio circundante puede estar en equilibrio con respecto a una o más de las diferentes variables del sistema. 14. Variables del sistema: presión (P), temperatura (T) y concentración. 15. Equilibrio termodinámico: se refiere a la condición en la que existe equilibrio con respecto a P, T y la concentración. - Un sistema puede estar en equilibrio con el medio ambiente con respecto a sólo una variable dada. El equilibrio existe solamente si la variable no cambia con el tiempo y si tiene el mismo valor en todas las partes del sistema y el medio ambiente. - El equilibrio con respecto a la concentración existe sólo si es posible el transporte de todas las especies cruzando los límites en ambas direcciones. - Si el límite es una pared movible que no es permeable a todas las especies, puede existir equilibrio con respecto a P, pero no con respecto a la concentración. 16. Temperatura: es la propiedad de un sistema que determina si el sistema está en equilibrio térmico con otros sistemas o el medio que lo rodea. 17. Equilibrio térmico: existe entre sistemas si P1=P2, para sistemas gaseosos con la misma densidad molar. las variables macroscópicas como presión, temperatura, volumen, masa, composición, etc., que caracterizan un sistema, no cambian con el tiempo. Ejemplo: Usamos los conceptos temperatura y equilibrio para caracterizar las paredes entre un sistema y el medio. Consideremos dos sistemas con paredes rígidas como se muestra en la figura. Cada sistema tiene la misma densidad molar y está equipado con un manómetro. Si ponemos los dos sistemas en contacto directo, se observan dos comportamientos límite. Si no cambia ninguno de los manómetros, como en la figura 1.1b, diremos que las paredes son adiabáticas. Debido a que P1 no es igual a P2 los sistemas no están en equilibrio térmico, y, por tanto, tienen diferentes temperaturas. 18. Paredes adiabáticas: La P1 = P2 19. Paredes diatérmicas: En la figura 1.1c cuando se ponen los sistemas en contacto directo, pasado un tiempo ambas presiones alcanzan el mismo valor. Concluimos que los sistemas tienen la temperatura T1=T2 y decimos que están en equilibrio térmico. Dos sistemas en contacto, separados por paredes diatérmicas alcanzan el equilibrio térmico debido a que las paredes diatérmicas conducen calor. 20. Ley cero de la Termodinámica: Dos sistemas que están por separado, en equilibrio térmico con un tercer sistema están, también, en equilibrio térmico entre sí. La ley cero nos dice que podemos determinar si dos sistemas están en equilibrio térmico sin ponerlos en contacto. El tercer sistema se puede usar para comparar la temperatura de los otros dos sistemas: si tienen la misma temperatura, estarán en equilibrio térmico si se ponen en contacto. 1.3 Termometría 21. Usando como referencia el punto triple del agua la temperatura absoluta T(K), medida 𝑃 por un termómetro de gas ideal viene dada por: T(K)=273.16 𝑃pt 1.4 Ecuaciones de estado y ley del gas ideal 22. Ecuación de estado: relaciona las variables de estado. 23. Ecuación constante del gas ideal: PV=NkT =nRT - Donde n es el número de moles del gas y R es una constante que es independiente del tamaño del sistema. Las constantes de proporcionalidad k y R se denominan constante de Boltzmann y constante del gas ideal y constante de gas ideal, respectivamente: N es el número de moléculas y n es el número de moles de gas. P y T son independientes de la cantidad de gas, mientras que V y n son proporcionales a la cantidad de gas. 24. Variable intensiva: Una variable independiente del tamaño del sistema (por ejemplo, P y T). 25. Variable extensiva: Una variable que es proporcional al tamaño del sistema (por ejemplo). 26. Para un número fijo de moles, la ecuación del gas ideal: 27. Ejercicio: 28. Ejercicio: 1.5 Una breve introducción a los gases reales - La ley del gas ideal sólo vale para gases a bajas densidades. - Un gas ideal se caracteriza mediante dos suposiciones: los átomos o moléculas se pueden tratar como masas puntuales. 29. Ecuación de estado de van der Waals incorpora ambos, el tamaño finito de las moléculas y el potencial atractivo. Tiene la forma - Los parámetros b y a incluyen el tamaño finito de las moléculas y la fuerza de la interacción atractiva, respectivamente. - Tabla: Cuestiones sobre conceptos: C1.1 Considere un recipiente con agua hirviendo en una habitación hermética. Si el límite se establece justamente en la parte de fuera del agua líquida, ¿el sistema es abierto o cerrado? Si el limite se establece justamente dentro de las paredes de la habitación, ¿el sistema es abierto o cerrado? - Si los límites del sistema están justo fuera del agua líquida, el sistema está abierto porque el agua puede escapar de la superficie superior. El sistema está cerrado si el límite está justo dentro de las paredes, porque la habitación es hermética. C1.2 Las paredes reales nunca son totalmente adiabáticas. Ordene las siguientes paredes en orden creciente de diatermiticidad: hormigón de 1 cm de espesor, vacío de 1cm de espesor, cobre de 1cm de espesor, corcho de 1cm de espesor. - Vacío de 1 cm de espesor <1 cm de espesor de corcho <1 cm de espesor de hormigón <1 cm de espesor de cobre. C1.3 ¿Por qué la posibilidad de intercambio de materia o energía apropiada para la variable de interés es una condición necesaria para el equilibrio entre dos sistemas? - El equilibrio es un proceso dinámico en el que las tasas de dos procesos opuestos son iguales. Sin embargo, si la tasa en cada dirección es cero, no es posible el intercambio y, por lo tanto, el sistema no puede alcanzar el equilibrio. C1.4 A temperaturas suficientemente elevadas, la ecuación de van der Waals tiene la forma P ≈ RT (V − b). Nótese que la parte atractiva del potencial no tiene influencia en esta expresión. Justifique este comportamiento usando el diagrama de energía potencial de la Figura 1.6. - A altas temperaturas, la energía de la molécula es grande, como lo indica el área rectangular coloreada en la figura siguiente. En este caso, la profundidad del pozo es una pequeña fracción de la energía total. Por tanto, la partícula no se ve afectada por la parte atractiva del potencial. C1.5 El parámetro a en la ecuación de van der Waals es mayor para el H2O que para el He. ¿Qué dice esto de la forma de la función potencial de la Figura 1?6 para los dos gases? - Dice que la profundidad del potencial atractivo es mayor para H2O que para He. Verdadero o Falso a. Un sistema cerrado no puede interaccionar con sus alrededores. - Un sistema cerrado no puede intercambiar materia y puede intercambiar calor con su entorno. Por tanto, la afirmación dada es falsa. b. La densidad es una propiedad intensiva - Por definición, la propiedad intensiva no cambia con la cantidad de sustancia. La densidad de una sustancia no cambia con la cantidad de sustancia; La densidad es propiedad intensiva. Por lo tanto, la declaración dada es verdadera c. El océano atlántico es un sistema abierto - Un sistema abierto intercambia materia y calor con su entorno. El océano puede intercambiar calor y materia (en forma de vapor) con su entorno; el océano es un sistema abierto. Por tanto, la afirmación dada es verdadera. d. Un sistema homogéneo debe ser una sustancia pura - Todas las sustancias están en la misma fase en un sistema homogéneo. El sistema homogéneo no tiene por qué ser la sustancia pura siempre. Por tanto, la afirmación dada es falsa. e. Un sistema que contiene una única sustancia debe ser homogéneo - Un sistema con una sustancia puede tener fases, como agua y hielo en un sistema. Un sistema con una sustancia puede tener más de una fase. Por tanto, la afirmación dada es falsa. Diga cuáles de los siguientes sistemas son encerrados o abiertos, aislados o no aislados. a. Un sistema encerrado entre paredes rígidas, impermeables y térmicamente conductoras - Un sistema encerrado en paredes rígidas, impermeables y térmicamente conductoras es un sistema cerrado y no aislado. Como el sistema de paredes es impermeable lo que no permite la transferencia de materia, pero puede permitir la transferencia de energía. Por tanto, el sistema es un sistema cerrado y no aislado. b. Un ser humano - Un ser humano puede transferir tanto la materia como la energía entre él y el entorno. Por tanto, el sistema es un sistema abierto y no aislado c. El planeta tierra - El planeta tierra es un sistema abierto y no aislado. Como la materia y la energía de la tierra se pueden transferir entre el planeta y el universo.
