PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA

Transcripción

1 PRIMER PRINCIPIO DE LA ERMODINÁMICA ERMODINÁMICA estuda la transormacón de la energía de un sstema partcular, y como es el ntercambo de energía con el medo que lo rodea (medo ambente o unverso). Medo ambente Sstema Energía Matera Sstema ABIERO (transere masa y energía) Ej: motor a explosón, célula bológca, etc. Sstema CERRADO (transere SOLO energía) Ej: pla, pstón contenendo un gas Sstema AISLADO (NO transere n masa y energía) Ej: termo cerrado FISICOQUIMICA I - FAyA - UNSE Dr. Claudo D. Borsarell - 1 -

2 RABAJO, CALOR Y ENERGÍA Se realza RABAJO cuando algún cuerpo es desplazado en dreccón opuesta a la uerza aplcada: h F mg h mg 1 < 2 F pstón móvl W F x h mgh FISICOQUIMICA I - FAyA - UNSE Dr. Claudo D. Borsarell - 2 -

3 RABAJO, CALOR Y ENERGÍA La ENERGÍA de un sstema es su CAPACIDAD de realzar RABAJO Resorte en reposo Resorte comprmdo Gas comprmdo pstón lberado Incapacdad para realzar trabajo Gas en reposo pstón anclado Capacdad para realzar trabajo FISICOQUIMICA I - FAyA - UNSE Dr. Claudo D. Borsarell - 3 -

4 RABAJO, CALOR Y ENERGÍA Cuando la energía de un sstema se modca como resultado de un cambo de temperatura entre el sstema y el medo ambente, se dce que la energía se transere como calor M.A. Sstema Pared datérmca Energía como calor Pared ADIABAICA Sstema M.A. FISICOQUIMICA I - FAyA - UNSE Dr. Claudo D. Borsarell - 4 -

5 Interpretacón molecular de trabajo y calor MEDIO AMBIENE MEDIO AMBIENE ENERGIA COMO CALOR SISEMA ENERGIA COMO RABAJO SISEMA La transerenca de energía como CALOR produce un movmento CAÓICO en las moléculas del medo ambente La transerenca de energía como RABAJO produce un movmento ORGANIZADO en las moléculas del medo ambente FISICOQUIMICA I - FAyA - UNSE Dr. Claudo D. Borsarell - 5 -

6 Procesos endo- y exotérmcos Endotérmco Exotérmco MEDIO AMBIENE calor Endotermco MA < MA SISEMA calor Exotérmco MA > MA Pared adabátca Pared datérmca CALOR Sstema aslado Isotérmco Endotérmco Exotérmco FISICOQUIMICA I - FAyA - UNSE Dr. Claudo D. Borsarell - 6 -

7 ENERGÍA INERNA, U La ENERGÍA OAL, E de un sstema ncluye las componentes macroscópcas de energías cnétca E C y potencal E P, más una componente nterna U. E E C + E P + U La energía nterna U es de naturaleza mcroscópca y se debe a movmentos e nteraccones moleculares (ncluye energías moleculares electrónca, vbraconal, rotaconal, traslaconal, etc.). Para un sstema en reposo que camba de un estado ncal a un estado nal, el cambo de energía total es: U U U [] kj mol ó kcal mol La energía nterna es una FUNCIÓN DE ESADO, en el sentdo que su valor solo depende de las varables de estado del sstema, y no de la orma en que se alcance el msmo. El cambo de cualquer varable de estado del sstema (ej. p) producrá un cambo en U. La energía nterna es un propedad extensva FISICOQUIMICA I - FAyA - UNSE Dr. Claudo D. Borsarell - 7 -

8 CONSERACIÓN DE LA ENERGÍA S el sstema está en reposo, un cambo en E se manesta por un cambo en energía nterna, U, el cual puede ser modcada transrendo tanto trabajo y/o calor en el sstema: q U U U q + Pared adabátca q w Sstema aslado U 0 w w 1ra Ley de la ermodnámca q > 0 Pared datérmca Sstema cerrado U 0 q < 0 w > 0 w < 0 FISICOQUIMICA I - FAyA - UNSE Dr. Claudo D. Borsarell - 8 -

9 Formas de trabajo, dw En orma nntesmal: du dq + dw En general, dw Fdz (trabajo mecánco), pero puede tener derentes ormas: po de trabajo dw comentaro undades EXPANSIÓN p ex d p ex presón externa N/m 2 DE UN GAS d cambo de volumen m 3 EXPANSIÓN γ dσ γ tensón supercal N/m SUPERFICIAL dσ cambo de área m 2 ELONGASIÓN dl tensón longtudnal N ELÉCRICO φdq φ potencal eléctrco dq carga eléctrca C 1 J 1 N.m 1.C FISICOQUIMICA I - FAyA - UNSE Dr. Claudo D. Borsarell - 9 -

10 rabajo de Expansón-Compresón p ex cte dw Fdz p A dz d S p ex ctew p ex p ex ( ) En el caso que p ex 0 dw 0 w 0 El sgno ( ) ndca que el sstema realza trabajo sobre el medo ambente En el caso del pstón: F p ex A dw p ex Adz p ex d El trabajo total w es: w p ex d Expansón-Compresón IRREERSIBLE Expansón LIBRE FISICOQUIMICA I - FAyA - UNSE Dr. Claudo D. Borsarell

11 Expansón-Compresón REERSIBLE En termodnámca un cambo reversble se reere a cualquer modcacón en el sstema que puede ser restaurada por un cambo opuesto nntesmal. En esta stuacón se dce que el sstema está en equlbro con su medo ambente. En esas condcones: p ex p w Para un gas deal: p nr/ dw nrd/ s cte w nr d pd nr Expansón-Compresón sotermca reversble ln FISICOQUIMICA I - FAyA - UNSE Dr. Claudo D. Borsarell

12 Expansón-Compresón de un gas EXPANSIÓN w < 0, por que se hace trabajo sobre el medo ambente Presón, p p p p ex w rrev -p ex ( ) < 0 w rev -nrln( / ) <0 w rev > w rrev olumen, p p ex Presón, p COMPRESIÓN w > 0, por que se hace trabajo sobre el sstema p w rev -nrln( / ) > 0 w rrev -p ex ( ) > 0 w rrev > w rev olumen, w rrev exp < w rev exp w rev comp < w rrev comp FISICOQUIMICA I - FAyA - UNSE Dr. Claudo D. Borsarell

13 ranserenca de calor, dq Supongamos un sstema cerrado a cte dw exp p ex d 0 UNIDAD 2: 1 PRINCIPIO rabajo de expansón S además no hay otras contrbucones de trabajo, ej. dw 0. Entonces: Agtador Pared adabátca ermómetro H 2 O q muestra du dq Pared datérmca BOMBA CALORIMÉRICA ADIABÁICA q Calor transerdo a cte C mc Constante del calorímetro (prop. extensva) depende de la masa y materal U q C ( ) U Constante del calorímetro especíca (prop. ntensva) depende del materal Para cualquer sstema a cte FISICOQUIMICA I - FAyA - UNSE Dr. Claudo D. Borsarell

14 Entalpía, H UNIDAD 2: 1 PRINCIPIO RABAJO GAS CALOR La Entalpía es una uncón de estado denda como: H U + p H + dh (U + du) + (p + dp)( + d) H + dh U + du + p + dp + pd + dpd 0 dh du + dp + pd ; pero: du dq + dw dh dq + dw + dp + pd S el sstema está en equlbro mecánco con su medo ambentedw pd dh dq + dp ; pero s p ctedp 0 dh dq p Se puede determnar mdendo a p cte H q p C p FISICOQUIMICA I - FAyA - UNSE Dr. Claudo D. Borsarell

15 Capacdad caloríca C y C p S cte U q C S p cte H q p C p UNIDAD 2: 1 PRINCIPIO Para un cambo nntesmal en un sstema cerrado, se deduce que: Entalpía o Energía nterna C U H U y C P H Descrben la varacón de U y H con emperatura ( ) P Dervadas parcales Puede observarse que: C P > C > 0 Para una sustanca pura, expermentalmente se observa que: C m a + b + Donde a, b, y c son ctes dependente de la sustanca c 2 FISICOQUIMICA I - FAyA - UNSE Dr. Claudo D. Borsarell

16 Procesos adabátcos rabajo de expansón de un gas deal UNIDAD 2: 1 PRINCIPIO Recpente adabátco, sotérmco,, socórco olumen, U U U U 2-3 C 3 U emperatura, 0 + C q + w Pero s el proceso es adabátcoq 0 w ad C FISICOQUIMICA I - FAyA - UNSE Dr. Claudo D. Borsarell

17 S el proceso es reversble p ex p Para un gas deal, el trabajo de expansón es: w pd nr d/ luego para procesos adabátcos: w ad nrd/ C d C nr d C d nr d C d nr ln ln cte ln ln c c c nr C UNIDAD 2: 1 PRINCIPIO FISICOQUIMICA I - FAyA - UNSE Dr. Claudo D. Borsarell Procesos adabátcos rabajo de expansón de un gas deal

18 rabajo de expansón de un gas deal Procesos adabátcos UNIDAD 2: 1 PRINCIPIO Para un gas deal se cumple que: emperatura relatva ( / ) P P Combnando ambas ecuacones: c 1.0 c c 1.5 C,m R c olumen relatvo ( / ) Para un proceso adabátco se obtene: 1 1 ( 1+ c ) ( 1+ c ) γ γ p p p p presón, p γ p γ cte olumen, c + 1 C, m + c C p cte, m R 1 c FISICOQUIMICA I - FAyA - UNSE Dr. Claudo D. Borsarell