Primera Ley de la Termodinámica. Aldo Alan Facundo Ávila

Transcripción

1 Primera Ley de la Termodinámica Aldo Alan Facundo Ávila

2 Conceptos importantes Sistema termodinámico: es la porción de materia que se quiere estudiar. Alrededores (o Entorno): es la parte del Universo que no pertenece al sistema termodinámico estudiado. Normalmente solo es necesario considerar los alrededores próximos al sistema. Pared (o frontera): es el límite entre el sistema termodinámico y los alrededores. Puede ser real o imaginaria. Los intercambios de materia y energía entre el sistema termodinámico y los alrededores se producen a través de la pared.

3 Paredes diatérmicas: Permiten el paso de energía térmica. Paredes permeables: Permiten el paso de materia. Paredes impermeables: No permiten el paso de materia. Paredes móviles: Pueden desplazarse. Paredes rígidas: No pueden desplazarse, es decir, no permiten el cambio de volumen del sistema. Paredes adiabáticas: No permiten el paso de energía térmica (calor).

4 Sistemas termodinámicos Sistema abierto: cuando permite el intercambio de materia y energía con el exterior. Sistema cerrado: cuando permite el intercambio de energía con el exterior pero no permite el intercambio de materia. Sistema aislado: cuando no permite el intercambio de materia ni de energía con el exterior.

5 Propiedades termodinámicas Las variables termodinámicas o variables de estado son las magnitudes que se emplean para describir el estado de un sistema termodinámico.

6 Ecuación de estado Relación matemática que existe entre los valores de las propiedades termodinámicas de un sistema. En gases: p,v,t,n à f p, V, T, N = 0 Si se conoce la ecuación de estado, basta con conocer el valor de n-1 variables para describir al sistema de interés f V, T, N = p = *+, - Aplica para cualquier sistema termodinámico: gases, líquidos, sólidos, etc.

7 Estado del sistema: refiere a la condición de un sistema descrito por sus propiedades, donde se conocen los valores que son susceptibles de medición. Proceso: es una transformación que produce un cambio de estado en un sistema, se refiere al cambio de estado desde un estado inicial hasta un estado final. Cambio de estado: se define completamente cuando se especifican los estados inicial y final. La trayectoria o ruta del proceso es la sucesión de estados que ha seguido o recorrido el sistema desde el estado inicial hasta el estado final. Sistema en equilibrio: variables termodinámicas tienen un valor constante a lo largo del tiempo. Se cumplen 3 equilibrios: mecánico, térmico y el equilibrio químico.

8 Funciones de estado: son aquellas que no dependen de la trayectoria seguida cuando se produce un cambio de estado, o sea que existe un valor definido para cada propiedad que corresponde a un estado. Las diferenciales de las funciones de estado son diferenciales exactas y la integración es simple.. dv = V 1 V 3 Funciones de trayectoria: son aquellas que dependen de la trayectoria seguida cuando se produce un cambio de estado. Las diferenciales de las funciones de trayectoria son diferenciales inexactas. dw W 1 W 3 Lo cual indica el trabajo realizado durante el cambio de estado 1 al 2, nunca escribiremos W 2 W 1.

9 Para un proceso cíclico, los estados inicial y final coinciden y El cambio neto en las funciones de estado es cero El cambio neto en las funciones de trayectoria es diferente de cero

10 Primera Ley de la Termodinámica CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA Clausius à La energía del universo es una constante DU = Q ± W La energía se conserva para cualquier cambio de estado. Calor y trabajo, Q y W, son funciones de trayectoria.

11 Signos? Criterio IUPAC Criterio Tradicional Se considera positivo aquello que aumenta la energía interna del sistema, o lo que es lo mismo, el trabajo recibido o el calor absorbido. DU = Q + W Se considera positivo el calor absorbido y el trabajo que realiza el sistema sobre el entorno. DU = Q W Fisicalab.com

12 Calor (Q) El calor es una forma de transferencia de energía debido únicamente a la diferencia de temperatura. El calor se manifiesta por un efecto en el entorno. Se transmite del sistema de mayor temperatura al de menor temperatura y solo ocurre cuando hay una diferencia de temperatura cuando se alcanza el equilibrio térmico cesa la transferencia de calor. El calor es energía en transito y se identifica mientras ésta pasa a través de los límites del sistema (solo aparece en la frontera). La cantidad de calor necesaria para ir de un estado a otro es dependiente de la trayectoria, esto es, la cantidad de calor transmitida cuando el sistema sufre un cambio de estado, depende de la trayectoria que siga el sistema durante el cambio de estado.

13 Si un sistema libera calor, otro lo tiene que ganar: Qliberado + Qabsorbido = 0 caloría (cal) que se define como la cantidad de energía transferida necesaria para incrementar la temperatura de 1 g (gramo) de agua en un grado desde 14,5 o C hasta 15,5 o C. Caloria(Cal) 1000 calorias. Btu (unidad térmica británica): que se define como la cantidad de energía transferida requerida para incrementar la temperatura de 1 lb (libra) de agua en un grado desde 63 o F hasta 64 o F. Es muy utilizada también la unidad de energía joule (j) cuando se describen procesos térmicos 1 cal = J

14 Trabajo (W) Cualquier cantidad que fluye a través de la frontera de un sistema durante un cambio de estado y que puede usarse por completo para elevar un cuerpo en el entorno. Cualquier otro mecanismo de transferencia de energía en un sistema se llama trabajo. Aparece solo en la frontera Se manifiesta por su efecto en el entorno. Diferentes tipos de trabajo

15 Tipos de trabajo El trabajo eléctrico es el trabajo que realiza una fuerza eléctrica sobre una carga que se desplaza desde un punto A hasta otro punto B. Cuando existe una diferencia de potencial y por el cual pasa una carga dq, se realiza un trabajo sobre el sistema δw = v dq y se conoce dq = Idt y v = IR δw = I v dt = I 1 Rdt

16 Trabajo osmótico: la energía química para la difusión de moléculas de un medio a otro. Importante en bioquímica por la difusión de metabolitos como proteínas, carbohidratos y lípidos al interior de una célula y en transporte de iones.

17 Trabajo superficial. Se denomina tensión superficial de un líquido a la cantidad de energía necesaria para aumentar su superficie por unidad de área. La tensión superficial será el trabajo realizado por unidad de superficie incrementada. γ > 0 ya que para aumentar el área (da >0) se requiere realizar trabajo sobre el sistema (dw>0).

18 Trabajo mecánico Se llama trabajo mecánico a aquel desarrollado por una fuerza cuando ésta logra modificar el estado de movimiento que tiene un objeto. El trabajo mecánico equivale, por lo tanto, a la energía que se necesita para mover el objeto en cuestión. W = F r

19 Trabajo de expansión o comprensión: el trabajo realizado por un gas confinado en un recipiente con un pistón, que puede moverse sin rozamiento.

20 W =. F dl = O P QRSQTUV dadl =. P QRSQTUV dv La curva p-v nos permite calcular el trabajo en un proceso de expansión-compresión.

21 El trabajo tiene unidades de energía. También se suele usar el factor P V como unidad de energía proveniente del trabajo de expansión-compresión J = 1 atm L 1cal = 4.184J = 0.001kcal = 0.001Cal 1kcal = BTU

22 Capacidad térmica Representa la cantidad de energía(calor) que necesita un sustancia para aumentar su temperatura en un grado, se expresa en J/K. C = Q T Propiedad extensiva. El calor específico (o capacidad calorífica específica) es la energía necesaria para elevar en un 1 grado la temperatura de 1 g de masa. Tiene unidades Jg -1 K -1 C Q = i Propiedad intensiva.,j

23 Capacidad térmica molar: energía necesaria para elevar en 1 grado la temperatura de un mol de una sustancia. Se expresa en Jmol -1 k -1. C j = Q n T La relación entre la capacidad térmica especifica y la molar es: C j = C Q M Donde M es la masa molar de la sustancia. Por lo tanto el calor absorbido o liberado de una sustancia es Q = nc j (Tf Ti) Es común que la capacidad térmica de una especie sea función de la temperatura. C j = f(t) En este caso, el calor se expresa como Q = nc m T dt

24 Con frecuencia, las capacidades calorificas se expresan a presión o volumen constante. Cp = Q o T ; Cv = U q T Para gas ideal Cp Cv = R. GAS MONOATÓMICO DIATÓMICO TRIATÓMICO CV/R 3/2 5/2 7/2 CP/R 5/2 7/2 9/2

25 Ley de Dulong y Petit: El calor específico atómico de todos los elementos en estado sólido (con pocas excepciones) presenta valores próximos a 25 J/(mol K) (ó sea, 6 cal/(mol K), cuando aumenta considerablemente su temperatura.

26 Ejercicios 1. Calcular la cantidad de calor necesario para calentar 200g de agua a 20ºC hasta 90ºC. Cp = 4.184Jg -1 K Calcular la cantidad de calor necesario para calentar hasta 75ºC el oxígeno contenido en un recipiente de 185L(v=cte) a una presión de 4.15bar y temperatura de 25ºC. Si Cv=21.04 J/mol K Si para el oxígeno se tiene que ro + = x10tu T 5.118x10 tv T 1 3. Calcular la cantidad de calor para calentar 160g de oxígeno de 400 a 500K a P=cte

27 Dependencia de T vs Q

28 Calor sensible es aquel que recibe un cuerpo o un objeto y hace que aumente su temperatura sin afectar su estructura molecular y por lo tanto su estado. Si el proceso se efectúa a presión constante: Q w = H = nc o (Tf Ti) A volumen constante: Q w = U = nc q (Tf Ti)

29 El calor latente es la energía requerida por una cantidad de sustancia para cambiar de fase, de sólido a líquido (calor de fusión) o de líquido a gaseoso (calor de vaporización). Antiguamente se usaba la expresión calor latente para referirse al calor de fusión o de vaporización. Se llamaba así porque, al no notarse un cambio de temperatura mientras se produce el cambio de fase (a pesar de añadir calor), este se quedaba escondido. λ fus = i { j = J/g; H w = i U = J/mol La capacidad térmica en esa zona: C m = lim, i U, =

30 Problemas 1. Para fundir 1g de hielo se requieren 333.9J a una temperatura de 0ºC. Qué cantidad de calor se necesita para fundir 45g de hielo a 0ºC? 2. Se mezclan 300g de agua a 20ºC con 500g de agua a 80ºC. Calcular Qcedido, Qabs, Tempetura de equilibrio. 3. Cuál es la temperatura final cuando se agregan a 5g de agua a 22ºC a)un cubo de hielo(30g) a 0ºC? b)dos cubos de hielo? c)tres cubos de hielo?