PRINCIPIOS FISICOQUÍMICOS EN GEOFÍSICA I

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Germán Toledo Carrizo
hace 6 años
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1 RINCIIOS FISICOQUÍMICOS EN GEOFÍSICA I Introducción Conceptos Básicos de Termodinámica ropiedades Físicas de los Gases Gases Ideales Ecuaciones de Estado

2 INTRODUCCIÓN La fisicoquímica se divide en 4 áreas: Termodinámica Mec. Estadística Química Cuántica Cinética Mide cantidades físicas,, T Estudia la energía y sus transformaciones. Relaciona las propiedades de un sistema mediante expresiones basadas en leyes de gases ideales Aplica conceptos estadísticos a los sistemas moleculares. Estudia las propiedades microscópicas, determina valores promedio y deriva las mismas leyes de la Termodinámica Estudia la estructura atómica y enlaces moleculares Estudia el movimiento de las moléculas

3 CONCETOS BÁSICOS DE TERMODINÁMICA Sistema: orción de materia, con fronteras bien definidas, objeto de estudio Entorno: Espacio o material que puede interaccionar con el sistema, pero que no pertenece a él. Frontera: Separación real o imaginaria, de un sistema con el entorno. 3

Sistemas Cerrado: No hay intercambio de materia con el entorno, pero sí permite

entorno Aislado: No existe intercambio de materia ni de energía con el entorno

con el entorno (cambio de volumen) ermeables: ermite intercambio de materia

4 Sistemas Cerrado: No hay intercambio de materia con el entorno, pero sí permite intercambio de energía Abierto: ermite intercambio de materia y energía con el entorno Aislado: No existe intercambio de materia ni de energía con el entorno Fronteras Rígidas: aredes rígidas, no móviles, no permiten intercambio mecánico con el entorno (cambio de volumen) ermeables: ermite intercambio de materia Impermeables: No permite intercambio de materia Adiabáticas: No permite intercambio de calor 4

5 ropiedades Extensivas: Dependen de la cantidad de materia. Ejm. olumen. ropiedades Intensivas: No dependen de la cantidad de materia. Ejm. Temperatura, resión Sistemas Homogéneos: Las propiedades termodinámicas tienen los mismos valores en todos los puntos del sistema. El sistema está constituido por una sola fase. Sistemas Heterogéneos: Las propiedades termodinámicas no son iguales en todos los puntos del sistema. El sistema esta constituido por varias fases. 5

6 Equilibrio Termodinámico: Equilibrio mecánico, térmico y material Equilibrio Mecánico: Fuerzas internas y externas están en equilibrio. No se producen movimientos en el sistema. Equilibrio Térmico: La temperatura es la misma en todo punto del sistema. Equilibrio Material: No suceden reacciones químicas ni cambios de fase en el sistema. No hay transferencia de materia entre las distintas partes del sistema. roceso Termodinámico: Cualquier transformación de un sistema de un estado de equilibrio a otro. roceso Reversible: El sistema está siempre infinitesimalmente próximo al equilibrio termodinámico y un cambio infinitesimal en las condiciones físicas puede invertir el proceso y devolver el sistema a su estado inicial. roceso Irreversible: El sistema solo está en equilibrio en el estado inicial y final. Las propiedades del sistema no están definidas en los puntos intermedios del proceso. 6

ROIEDADES FÍSICAS DE LOS GASES Un sistema termodinámico en equilibrio se caracteriza por: olumen (): El volumen de un gas es el volumen del recipiente que lo contiene Unidades: litro = 0 3 cm

7 ROIEDADES FÍSICAS DE LOS GASES Un sistema termodinámico en equilibrio se caracteriza por: olumen (): El volumen de un gas es el volumen del recipiente que lo contiene Unidades: litro = 0 3 cm 3 = 0-3 m 3 resión (): Mide los choques de las moléculas de un gas contra las paredes del recipiente que lo contiene Unidades: atm = 760 mmhg =, 0 x 0 5 a bar = 0 5 a = 0,987 atm = 750 mmhg 7

8 ROIEDADES FÍSICAS DE LOS GASES Cantidad de sustancia (n). Se mide en moles. Mol: Es la cantidad de sustancia que contiene un número específico de entidades elementales, equivalentes al número de Avogadro N A = (6,0 x 0 3 ) Ejemplo: En un mol de agua hay 6,0 0 3 moléculas de H O, a la vez que: En un mol de agua hay: 6,0 0 3 átomos de H (osea moles de átomos de hidrógeno) y 6,0 0 3 átomos de O 8

9 ROIEDADES FÍSICAS DE LOS GASES eso Molecular (gr/mol): Es la suma de los pesos atómicos de los compuestos dados.. M.M (O ) = 5,999 gr/mol x = 3 gr/mol.m (H O) = ( gr/mol x) + 5,999 gr/molx = 8 gr/mol m n.m (N ) = 4,0 gr/mol x = 8 gr/mol.m (CH 4 ) = M(C) + M(H 4 ) = gr/mol + gr/mol x 4 = 6 gr/mol 9

10 ROIEDADES FÍSICAS DE LOS GASES Magnitud relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico 0

11 ROIEDADES FÍSICAS DE LOS GASES

12 GASES IDEALES Experimentalmente, se encuentra que todas las sustancias puras en estado gaseoso muestran un comportamiento similar cuando las densidades y presiones son suficientemente bajas. A 0 C y atm, mol de cualquier gas ocupa el mismo volumen =,4 litros y responde similarmente a variaciones de m, y T a) A 0 C y atm, moles de gas ocupa 44,8 litros b) Si se duplica la temperatura de 73 K 546 K de un mol de gas a atm, el volumen es de 44,8 litros c) Si se divide la presión por, un mol de gas a 73 K, el volumen se duplica a 44,8 litros

13 GASES IDEALES Manteniendo y T constantes, el volumen es directamente proporcional a la masa = K. n Manteniendo m y constantes, el volumen es directamente proporcional a la temperatura = K. T Ley de Charles Manteniendo m y T constantes, el volumen es inversamente proporcional a la presión = K 3 / Ley de Boyle nt ( K) ntr R = Constante de Gases Ideales R atm. cc 8,06 mol. K J 8,34 mol. K atm. lt 0,08 mol. K,987 cal mol. K 3

14 ESCALA DE TEMERATURA ABSOLUTA A esta temperatura, cualquier gas ideal debe tener volumen cero Ttr Btr 73, 6K B: Ctte T 73,6K lim, m, cttes 0 tr 4

15 GASES IDEALES Cambio de estado de un gas ideal: Inicialmente, se tiene el estado dado por, y T Al variar, manteniendo T y m constantes nrt k f f Manteniendo y m constantes y variando T: T T f k f T T Igualando f T T T T 5

16 roblema: Cuál es la presión que ejercen 63,9976 gr de O en un frasco de 0 - m 3 a 7 C? GASES IDEALES Datos: m = 63,9976 gr = 0 - m 3 = 0 litros T = 7 C = 300 K =? n nrt m M mrt. M M O x5,999gr / mol 3gr / mol (63,9976gr)(0,08atm. lt / mol. K)(300K) (3gr / mol)(0lt) 4,93atm 6

17 roblema: Un tanque de 0,5 m 3 contiene O a una presión de 50 atm y a una temperatura de 0 C. GASES IDEALES a) Cuantos moles de oxigeno hay en el tanque? Datos: = 0,5 m 3 = 0,5 x 0 6 cc T = 0 C = 93 K = 50 atm n =? nrt n RT 6 50 atm x 0,5 x 0 cc atm. cc 8,06 x93k mol. K 39 moles 7

18 GASES IDEALES b) Cuántos kilogramos? m n x M 39 moles x 3 gr/mol gr 99,808 Kg c) Hallar la presión ejercida cuando la temperatura aumenta a 500 C T T T T 6 (50 atm) (0,5 x 0 cc) (773 K) 6 (0,5x0 cc)(93k) 5,79 x 0 8,4 x 0 0 atm 395,73 atm 8

19 GASES IDEALES. ALICACIÓN GEOFÍSICA orosímetro de Helio Se basa en el hecho de que el gas penetra fácilmente en los espacios porosos de una roca Definimos la porosidad como p olumen de poros olumen Total álvula Manómetro Campanas Bomba de acio Muestra álvula Helio Mesa 9

20 GASES IDEALES. ALICACIÓN GEOFÍSICA N RT A temperatura constante inicial final inicial p final p ( ) ( p p ) 0

21 ) ( ) ( p p p p GASES IDEALES. ALICACIÓN GEOFÍSICA

22 ECUACIÓN DE ESTADO El estado termodinámico de un sistema en equilibrio, en reposo y en ausencia de campos, es definido por,, T y m. Matemáticamente, = f (m,t,) dependencia entre variables Ya conocemos la Ecuación de Gases Ideales = nrt la cual considera presiones y densidades bajas y que no existen fuerzas Intermoleculares. Evitando las temperaturas extremadamente bajas y las presiones muy elevadas, podemos considerar que los gases reales se comportan como gases ideales

23 ECUACIÓN DE ESTADO ECUACIÓN DE AN DER WAALS Considera fuerzas intermoleculares y los volúmenes finitos de las moléculas Si el volumen del recipiente es y se tiene n moléculas, el volumen disponible para el gas será menor en un valor nb donde b es, aproximadamente, el volumen de cada molécula Si consideramos las fuerzas intermoleculares, al aumentar el número de moléculas aumenta la acción de las fuerzas, siendo éstas proporcionales al cuadrado del número n de moléculas 3

24 ECUACIÓN DE ESTADO ECUACIÓN DE AN DER WAALS El volumen mínimo que se puede obtener aumentando la presión es nb ( nb) = nrt Las moléculas, al atraerse tienen menos colisiones con las paredes del recipiente y, por lo tanto, la presión disminuye an nrt an )( ( nb) Ec. an der Waals nrt a es una medida de la atracción molecular b es una medida del tamaño de la molécula 4

25 ECUACIÓN DE ESTADO roblema: Encontrar la temperatura a la cual 3 moles de SO un volumen de 0 litros a una presión de 5 atm. ocuparán Tome atm. lt a 6,7 b 0, 0564 mol lt mol an ( T )( nb) nrt atm. lt 3mol.0,08 mol. K T amt. lt 0,463 K x T nr x0lt 3mol.0,0564 ( nb)( lt mol an 9,83lt x5,604atm 6,8K 350C ) atm. lt 6,7 mol x atm 5 0lt 3mol 5

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