CRITERIOS DE ESPONTANEIDAD

Transcripción

1 CRITERIOS DE ESPONTANEIDAD Con ayuda de la Primera Ley de la Termodinámica podemos considerar el equilibrio de la energía y con La Segunda Ley podemos decidir que procesos pueden ocurrir de manera espontanea, por lo que podríamos decir que contamos con suficientes elementos termodinámicos para analizar cualquier situación.

2 CRITERIOS DE ESPONTANEIDAD De acuerdo a la segunda ley de la termodinámica: ds 0 Sin embargo este criterio esta limitado a sistemas aislados, W=0, q=0, por lo tanto U=cte.

3 CRITERIOS DE ESPONTANEIDAD Con estas variables constantes ( ds) 0 U, V Sin embargo este criterio no es muy útil ya que hay que mantener constante U y V.

4 CONDICIONES DE ESPONTANEIDAD PARA DIFERENTES CONDICIONES Partiendo del teorema de Clausius para un cambio espontaneo es: Reordenando: Utilizando la primera ley de la termodinámica y suponiendo que solo hay trabajo de expansión

5 CONDICIONES DE ESPONTANEIDAD PARA DIFERENTES CONDICIONES Substituyendo Multiplicando por T Si mantenemos V y S constantes

6 CONDICIONES DE ESPONTANEIDAD PARA DIFERENTES CONDICIONES ( dh ) 0 p, S Presión y Entropía constantes

7 Condiciones de Espontaneidad ( da ) 0 T, V Temperatura y Volumen constantes

8 CONDICIONES DE ESPONTANEIDAD PARA DIFERENTES CONDICIONES Con los criterios antes establecidos, concluimos que las condiciones a las que aplican no son fáciles de alcanzar. Para usar la Segunda Ley tenemos que calcular el cambio de entropía tanto en el sistema como en los alrededores, el inconveniente, es que sólo estamos interesados en lo que sucede dentro del sistema y no los eventos externos.

9 CONDICIONES DE ESPONTANEIDAD PARA DIFERENTES CONDICIONES Supongamos que tenemos un sistema en equilibrio térmico con sus alrededores a una temperatura T. En el sistema se lleva a cabo un proceso que produce la transferencia de una cantidad infinitesimal de calor, dq, del sistema a los alrededores

10 CONDICIONES DE ESPONTANEIDAD PARA DIFERENTES CONDICIONES Por lo tanto: El cambio de entropía será:

11 CONDICIONES DE ESPONTANEIDAD PARA DIFERENTES CONDICIONES Si el proceso se lleva a presión constante Multiplicando por T Por lo que definimos una nueva propiedad

12 CONDICIONES DE ESPONTANEIDAD PARA DIFERENTES CONDICIONES Aplicando G como criterio de espontaneidad ( dg ) 0 T, p Temperatura y presión constantes

13 Transformaciones a Temperatura y Presión Constantes Si podemos calcular la variación de la energía de Gibbs para una transformación, el signo de DG nos indica si la transformación puede ocurrir o no en la dirección que imaginamos. Hay tres posibilidades: G es G es G es 0

14 Energía de Gibbs Es importante destacar que la condición DG < 0 sólo define la espontaneidad, no la rapidez

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16 Problema Calcular el valor de DG en la fusión del hielo a: (a) 0 C (b) 10 C (c) -10 C. La entalpía y entropía de fusión del agua son de 6.01 kj/mol y 22 J/K.mol, respectivamente, y se supone que son independientes de la temperatura.

17 G H TS para un proceso infinitesimal dg dh TdS SdT debido a que H U pv dh du PdV Vdp de acuerdo a la primera ley de la termodinamica du dq dw du dq PdV en un proceso reversible dq rev TdS por lo que du TdS pdv dh ( TdS pdv ) pdv Vdp Vdp TdS

18 Utilidad Energía de Gibbs dg dw no pv G w no pv

19 Propiedades de G Reemplazando U en G, se obtiene la ecuación fundamental: dg SdT Vdp G G dg dt dp Comparando muestra que: p T p T G G dg dt dp T p G S T G V p

20 Propiedades de G Para un material puro a T cte Gibbs se expresa de forma conveniente utilizando desde p o= 1atm hasta un valor p G p T V p p dg Vdp p o p o o G G ( T ) Vdp p p o

21 Propiedades de G Si la sustancia es un líquido o un sólido, el volumen es independiente de la presión o G ( T, p ) G ( T ) V ( p p ) El segundo término se es despreciable, ya que el volumen es pequeño para fases condensadas o o G G ( T )

22 Propiedades de G Para gases aplicamos gas ideal o nrt G( T, p) G ( T ) dp o p o G G ( T ) p( atm) RT ln n n 1atm G n para la energia de Gibbs molar del gas ideal p p o = ( ) ln T RT p

23 Potencial Químico El potencial Químico de una sustancia, μ, se define como el cambio en la energía libre de Gibbs con respecto a la cantidad de sustancia a presión y temperatura constantes: G n T, p

24 Potencial Químico La expresión para la energía libre de Gibbs se transforma en: dg SdT Vdp dn Conocida también como la ecuación fundamental de la termodinámica. i i i

25 Potencial Químico Al potencial Químico se le considera una cantidad molar parcial, ya que expresa el cambio en una variable de estado, G, en función de un cantidad molar.

26 Potencial Químico En sustancias puras, el Potencial Químico es igual al cambio en la energía libre de Gibbs del sistema, conforme la cantidad de sustancia varia.

27 Por qué es importante µ en el equilibrio?? Porque constituye una medida del grado en que una especie pretende experimentar un cambio físico o químico. Si existen dos sustancias con diferentes potenciales, ocurrirá un proceso para igualar los potenciales químicos.

28 Energía de Helmholtz A U TS Infinitesimal da du TdS SdT para un proceso reversible du TdS pdv da SdT pdv ( da) 0 T, V

29 Utilidad Energía de Helmholtz Para un cambio isotérmico da dw A w Representa la máxima cantidad de trabajo que un sistema puede efectuar en los alrededores, en cambios reversibles.

30 Problema 1 Indique si los siguientes procesos pueden definirse como espontáneos bajo las siguientes condiciones: A) Un proceso en el que DH es positivo V y p constantes. B) Un proceso isobárico en el que DU es negativo y DS es 0. C) Un proceso adiabático en el que DS es positivo y el volumen no varía. D) Un proceso isobárico e isoentrópico en el que DH es negativo.

31 Problema 2 Calcule el cambio de la energía de Helmholtz para la compresión reversible de un mol de un gas ideal de 80 L a 22.4 L. Suponga que la temperatura es de 298 K.

32 Problema 3 Determine DrG 25ºC en la reacción de formación de agua líquida a partir de hidrógeno y agua gaseosos, para demostrar que diferentes métodos de cálculo de DrG llevan al mismo resultado. H2(g) O2(g) H2O(l) DrH(kJ/mol) S (J/molK) DrG(kJ/mol)

33 Problema 4 Cuál es el cambio en G en un proceso en el que moles de un gas ideal pasan de 2505 lb/in2 a 14.5 lb/in2 a la temperatura ambiente de 295 K?

34 Problema 5 Una muestra de argón de moles se expande de 25 L a 35 L a una temperatura constante de 350 K. Calcule DG para esta expansión.