Primer Principio de la Termodinámica. Principio de la conservación de la Energía

Transcripción

1 Primer Principio de la Termodinámica Q W U Principio de la conservación de la Energía Q W U Calor dado al sistema (+) o perdido por el sistema (-). Depende de cómo se realiza el proceso. Trabajo realizado por el sistema (+) o sobre el sistema (-). Depende de cómo se realiza el proceso. Energía interna ganada por el sistema (+) o perdida por el sistema sistema (-). Depende únicamente de los estados inicial y final del sistema.principalmente de la temperatura

2 P Q 1 P 1 (P 1,V 1 ) (P 2,V 2 ) P P 1,V 1 P 3 W (P 3,V 3 ) Q 2 V 1 V 2 V P 2,V 2 V P P 1,V 1 Q Q W 1 U 1 W 2 U P 2,V 2 Q 3 2 U W 3 V

3 Conservación de Energía Trabajo mecánico TODO Energía Térmica (Calor) Energía Térmica (Calor) NO TODO Trabajo mecánico

4 Ejemplo Dirección Natural NO es posible porqué? Energía

5 Razones para la Segunda Ley de la Termodinámica La primera Ley resulta útil para entender el flujo de energía durante un proceso pero no determina que procesos son posibles. La segunda Ley permite predecir para condiciones dadas de P y T cual es el estado de equilibrio del sistema.

6 Transformaciones reversibles Una transformación es reversible si se realiza mediante una sucesión de estados de equilibrio del sistema con su entorno y es posible devolver al sistema y su entorno al estado inicial por el mismo camino

7 Transformaciones irreversibles Reversibilidad y equilibrio son, por tanto, equivalentes. Si una transformación no cumple estas condiciones se llama irreversible. En la naturaleza, las transformaciones reversibles no existen.

8 Probabilidad p p 1 2 p Microestados Estado de cada sistema :1 Dado= 6; 2 dados =6 2 ; 3 dados=6 2 Macroestados La suma de los microestados de cada sistema :1 Dado= 6; 2 dados =12; 3 dados=18 etc.

9 Forma microscópica de la segunda Ley Microscópico Comportamiento más probable de un gran número de moléculas. El estado mas probable es hacia dónde la naturaleza se dirige. Es decir, el estado de más baja energía

10 La entropía mide el grado de desorden o de orden del sistema y depende únicamente de los estados inicial y final del sistema Los sistemas aislados al evolucionar, tienden a desordenarse, nunca a ordenarse Altamente ordenado Mucho menos ordenado S k ln p Rln B p

11 Forma macroscópica de la Segunda Ley Macroscópico La entropía tiende hacia un valor máximo. Entropía Si se añade una pequeña cantidad de calor Q a una temperatura T (en Kelvin) durante un proceso reversible, el cambio de la entropía del sistema está dado por: S Q T (Proceso reversible) S Irreversib le S Reversible

12 Acerca de la Primera y Segunda Ley Para la primera Ley: En un sistema Aislado, la energía ni aumenta ni disminuye Para la segunda Ley: En un sistema aislado la entropía siempre aumenta

13 Segunda Ley: Enunciados Enunciado de Kelvin:Es imposible extraer calor de un sistema a una sola temperatura y convertirle en trabajo mecánico sin que el sistema o los alrededores cambien de algún modo. Enunciado de Clausius:No es posible ningún proceso espontáneo cuyo único resultado sea el paso de calor o energía térmica de un objeto a otro de mayor temperatura. La entropía total de un sistema mas el medio exterior siempre aumenta

14 Funciones de estado Estado termodinámico de un sistema está determinado por las variables de estado P,V y T. No es función de estado la energía interna Son funciones de estado, la entalpía, la entropía y la energía libre de Gibbs. Entalpía: H U PV Calor suministrado a P=cte Entropía: S Q T Estado más probable del sistema Energía Libre de Gibbs: G H TS Energía Utilizable

15 Sistemas aislados, cerrados y abiertos Sistema aislado es el sistema que no puede intercambiar materia ni energía con su entorno. Sistema cerrado es el sistema que sólo puede intercambiar energía con su entorno, pero no materia. Sistema abierto es el sistema que puede intercambiar materia y energía con su entorno.

16 Reversibilidad Un proceso es reversible si su dirección puede invertirse en cualquier punto mediante un cambio infinitesimal en las condiciones externas. Para los procesos reversibles es posible basar los cálculos en las propiedades del sistema (con independencia de los del entorno). En los procesos reversibles, el sistema nunca se desplaza más que diferencialmente de su equilibrio interno o de su equilibrio con su entorno

17 Transformaciones reversibles e irreversibles Una transformación es reversible si se realiza mediante una sucesión de estados de equilibrio del sistema con su entorno y es posible devolver al sistema y su entorno al estado inicial por el mismo camino. Reversibilidad y equilibrio son, por tanto, equivalentes. Si una transformación no cumple estas condiciones se llama irreversible. En la realidad, las transformaciones reversibles no existen.

18 Fig. Difusión de una gota de tinta en agua. Proceso irreversible (Alonso y Finn, 3, p. 490) Fig. Difusión de un gas. Proceso irreversible (Berkeley, 5, p )

19 La segunda ley y la Naturaleza En la naturaleza los procesos implican aumento en la entropía Máximo desorden Equilibrio S Ser inerte 0 Parece que los seres vivos contradicen este principio Porqué? Los seres vivos tienden a mantener la entropía constante o a disminuirla Muy ordenado NO Equilibrio S Ser vivo 0

20 El proceso de la Alimentación? Conservar energía? Equilibrio Organismo Vivo es un sistema termodinámico inestable No está en estado de máxima entropía Necesita baja entropía, y así poder aumentarla con los procesos que se realizan, los cuales usan energía propia

21 Muchos de los procesos dentro de los seres vivos se realizan con energía propia Nuestro corazón no necesita una máquina externa para bombear la sangre

22 No hay más energía disponible para desordenar el sistema, no ha mas procesos que lo desordenen Usa solamente su propia energía, y entonces llega a un estado de máxima entropía, es decir, un estado de EQUILIBRIO o un estado muy desordenado

23 Muerte Clínica La muerte clínica llega antes del máximo desorden. Entonces el sistema queda aislado y ya no se puede controlar el aumento de la entropía. Luego de la muerte clínica el sistema empieza su camino al máximo desorden, y empieza a degradarse

24 La vida. Cómo se logra? Los organismos vivos necesitan expulsar el exceso de entropía que está produciendo, reemplazando cantidades de materia y energía en estado de alta entropía con las mismas cantidades pero con baja entropía. La alimentación nos proporciona energía y materia en estado altamente ordenado, es decir de baja entropía

25 Entropía y la cadena alimenticia Altamente Ordenado En un ser vivo no se viola la segunda ley porque al alimentarse disminuye su entropía pero ya no es un sistema aislado. Un ser vivo es un sistema ABIERTO

26 Evolución de la energía en el organismo G H T S Las reacciones químicas suelen ser procesos a temperatura y presión constantes Entropía : Grado de desorden o de disminución de energía en un sistema. Energía libre de Gibbs ( G) :Energía disponible. Medida de la capacidad de un sistema para realizar un trabajo. Esta magnitud determina si una reacción o proceso sucederá espontáneamente (exergónica, G 0) o requerirá de energía (endergónica, G 0)

27 Trabajo interno Ejemplo C6H12O6 6O2 6CO2 6H2O Calor Calor Calor Calor Glucosa 100% Entalpía Energía Libre de la Glucosa Energía Libre del los compuestos tipo ATP T = 37ºC, P= 1 atm H= 700 kcal/mol TS= 20 kcal/mol G= 680 kcal/mol 45 del 100% de H es usado para mantener el estado termodinámico del cuerpo humano frente a la evolución hacia el equilibrio.

28 Equilibrio Químico aa bb cc dd El equilibrio químico es una condición en la cual las concentraciones de todos los reactantes y productos de una reacción reversible dejan de cambiar. La constante de equilibrio K, es un número que es constante para cada reacción a una temperatura y presiones dadas. Así, en general: C c D d K A a B b G RT ln K

29 G RT ln K Un sistema en equilibrio dinámico, es aquel en el que la reacción directa y la inversa, ocurren a la misma velocidad. El sistema en equilibrio, puede ser descrito a través de la constante K c. Si la constante es muy grande, la reacción directa se producirá casi exhaustivamente, mientras que la inversa no ocurre de forma apreciable. Si la constante es muy pequeña, la reacción que domina es la inversa.