Tema 2: Termodinámica 1. Introducción: las leyes de la termodinámica. 2. Equilibrio y temperatura. 3. Gases y temperatura absoluta 4. Gases ideales y disoluciones. 5. Energía interna y velocidades moleculares. 6. La Primera Ley: calor y trabajo. 7. Calorimetría. 8. Entalpía. 9. Metabolismo. 10. Transferencia de calor. 11. La Segunda Ley: entropía. 12. Energía libre. 13. Potencial químico. 14. Fluctuaciones.
1. Introducción: la leyes de la Termodinámica (Gianc. 17.1) La Termodinámica estudia las propiedades colectivas de la materia: Cómo se organiza la materia: fases (sólida, líquida, gaseosa). Cómo se reparte la energía entre las moléculas de un sistema: temperatura. Cómo se transfiere la energía entre un sistema y otro: calor y trabajo. Qué procesos son posibles de forma espontánea en la naturaleza: entropía, energía libre, reacciones químicas. Y las relaciones entre todo lo anterior: transferencia de energía en reacciones químicas y en cambios de fase, dependencia de procesos con la temperatura, etc. Leyes de la Termodinámica: Principio cero: existencia de estados de equilibrio. Primera ley: conservación de la energía. Segunda ley: degradación de la energía, irreversibilidad.
2. Equilibrio y temperatura (Gianc. 17.2-3) Un sistema es una porción del universo: un cuerpo, el gas de una habitación, una célula, la biosfera... Sistemas abiertos: intercambian energía y materia con el exterior. Sistemas cerrados: intercambian sólo energía con el exterior. Sistemas aislados: no intercambian ni energía ni materia con el exterior. Estado de equilibrio: es el que alcanza un sistema aislado después de un tiempo suficientemente largo. Principio cero: Ponemos en contacto A con B, de modo que formen un sistema aislado y esperamos que alcancen el equilibrio. Separamos A y lo ponemos en contacto con C hasta que alcancen el equilibrio. Entonces, B y C estarán en equilibrio A B A C B y C están en equilibrio
2. Equilibrio y temperatura (Gianc. 17.2-3) Principio cero: A B A C B y C están en equilibrio Tiene que haber una magnitud que caracterice el estado de equilibrio en lo que se refiere a intercambio de energía. Esa magnitud es la temperatura: Si ponemos en contacto dos sistemas con temperaturas diferentes, la energía se transfiere del caliente al frío. Dos sistemas estarán en equilibrio térmico si sus temperaturas son iguales. Escalas de temperatura: son escalas convencionales, basadas en el principio cero. La escala centígrada sitúa el cero en el punto de fusión de hielo y el 100 en la temperatura de ebullición del agua a 1 atmósfera.
3. Gases y temperatura absoluta (Gianc. 17.6-10) Un gas en un recinto cerrado está caracterizado por: su masa M o número de moles n o número de moléculas N; su temperatura absoluta T; el volumen V que ocupa; la presión P que ejerce sobre las paredes. En equilibrio volumen y temperatura verifican: Para todos los gases, las rectas cortan el eje horizontal en el mismo punto, el cero absoluto: -273.15ºC. Temperatura absoluta: T = temperatura en ºC + 273.15 La unidad de temperatura absoluta es el kelvin (K).
4. Gases ideales (Gianc. 17.6-10) En equilibrio y para gases poco densos (gases ideales): Ecuación de estado de los gases ideales R es la constante de los gases: 8.314 J K 1 mol -1 Versión microscópica k = k B constante de Boltzmann Simulación java
4. Disoluciones Las moléculas de soluto en una disolución se comportan como un gas ideal. La presión que ejercen se llama presión osmótica: es la concentración molar de soluto Si la disolución está confinada por una membrana semipermeable (permeable al solvente pero no al soluto), el soluto ejerce una presión sobre la membrana y esta se hincha. El fenómeno puede también interpretarse como si el solvente tratara de fluir a través de la membrana para igualar las concentraciones.
5. Energía interna y velocidades moleculares (Gianc. 18.1-2) La energía cinética media de una partícula en un medio a temperatura T es: La velocidad cuadrática media es: Velocidad típica: m es la masa de la molécula La energía interna de un sistema, E int, es la suma de todas las energías, cinéticas y potenciales, de las N moléculas del sistema. Es mayor o menor que NE cinet pero del orden NkT. En un gas ideal: Simulación java