UNIVERSIDAD PRIVADA DE TACNA

Curso:
FISICOQUÍMICA
MSc. Milagros Magali Cruz Mamani

E mail: mmcruzma@gmail.com

Sesión 8: Primera ley de la termodinámica

 CONCEPTOS BÁSICOS: SISTEMAS, VARIABLES
Y PROCESOS.
Sistema: Parte del universo que es objeto de estudio.
Entorno, alrededores, medio ambiente: Resto del universo

Tipos de sistemas

Abierto Cerrado Aislado

Puede Materia Materia Materia
intercambiar Energía Energía
Los sistemas se presentan de diferentes formas  ESTADOS

caracterizados por VARIABLES termodinámicas

(p. ej: T, P, V, m, r, composición química, ...)

Tipos de variables

Intensivas Extensivas
• No dependen de la cantidad • Dependen de la cantidad
de materia del sistema de materia del sistema
• Ej: T, P, r • Ej: m, V
• No son aditivas • Son aditivas
Funciones de estado
Al asignar valores a unas cuantas, los valores de todas
las demás quedan automáticamente fijados.

Cuando cambia el estado de un sistema, los cambios de

dichas funciones sólo dependen de los estados inicial y
final del sistema, no de cómo se produjo el cambio.

DX = Xfinal –Xinicial

Ecuaciones de estado: Relacionan funciones de estado

(ej: PV = nRT)
Cuando alguna de las variables de estado cambia con el tiempo

PROCESO termodinámico

• Isotermo (T = cte)
• Isóbaro (P = cte)
• Isócoro (V = cte)
• Adiabático (Q = 0)
• Cíclico (estado final = estado inicial)
Tipos de
procesos •Reversible
(sistema siempre infinitesimalmente próximo al equilibrio;
un cambio infinitesimal en las condiciones puede
invertir el proceso)
• Irreversible
(Un cambio infinitesimal en las condiciones no
produce un cambio de sentido en la transformación).
ENERGÍA, CALOR Y TRABAJO.
1er PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA.
Energía: Capacidad que posee un sistema para realizar
un trabajo o para suministrar calor.

Criterio de signos

W>0 W<0
SISTEMA
Q>0 Q<0
TRABAJO
 
dW = F  d r Unidad S.I.: Julio

Trabajo de expansión/compresión de los gases

dV
dW = − Pext dV [Levine, pg 42]

Pint Pext
W = − V12 Pext dV
V
Casos particulares

1) Expansión frente a una Pext constante

W = −  Pext dV = −P  dV = −Pext (V2 − V1 ) = −Pext V
V2 V2
V1 ext V1

2) Expansión en el vacío
Pext = 0  W=0 [Segal, pg 590]

El trabajo no es función de estado

Es una forma de
No es una propiedad No es algo que posea el
intercambio de energía,
característica del sistema. sistema.
una “energía en tránsito”
Casos particulares

3) Expansión reversible isoterma de un gas ideal

PV = nRT T = cte

nRT V2 dV
Wrev = −  Pint dV = −  dV = -nRT V1 =
V2 V2
V1 V1
V V
V2
= −nRT ln V V = −nRT( ln V2 − ln V1 ) = −nRT ln
V2
1
V1
CALOR
Un sistema cede E en forma de Q si se
tranfiere como resultado
de una diferencia de T entre el sistema y
el entorno.

Unidad S.I.: Julio 1 cal = 4.184 J

El calor no es función de estado

Es una forma de
No es una propiedad No es algo que posea el
intercambio de energía,
característica del sistema. sistema.
una “energía en tránsito”
EJEMPLO DE TRABAJO

¿Cuál será el trabajo realizado al desplazar una masa de 500 g,

hasta una altura de 1 Km. De su respuesta en calorías y joules.

SOLUCION:

m=500 g = 0.5 Kg
h = 1 km = 1000 m

w = m g h

w = 0.5 Kg  9.8 m 2 1000 m = 4900 J = 1170.345 cal

s
ENERGÍA INTERNA

Diferencias entre la energía cinética de un

objeto a diferentes alturas.

Energía interna (U) • Función de estado

• Magnitud extensiva
(Suma de energías a nivel molecular)

¿Cómo podemos aumentar U 1) Calentándolo  calor

de un sistema cerrado? 2) Realizando un trabajo
EJEMPLO DE ENERGIA

Un trozo de metal de 1.5 kg se mueve horizontalmente a una

velocidad de 4m/s (la aceleración gravitatoria es de 9.8m/s2).
Determinar la variación de la velocidad para que el cambio de energía
cinética y de energía potencial sea de 30 J, respectivamente.

SOLUCION:
Como la energía cinética debe cambiar, se espera que el objeto tenga una energía
cinética final a partir de la energía inicial:

∆𝐸𝑐 = 𝐸𝑐2 − 𝐸𝑐1

Desarrollando la ecuación, y considerando que la masa de mantiene constante, se
obtiene: 1 1 1
∆𝐸𝑐 = 𝑚𝑣2 − 𝑚𝑣1 = 𝑚 𝑣22 − 𝑣12
2 2
2 2 2
En este caso para cambiar la energía cinética, la velocidad debe ser modificada;
para calcular la velocidad final, la expresión anterior se transforma, considerando la
velocidad inicial V1=4m/s y ∆𝐸𝑐 =30J
1 𝑚 2
2
30𝑁𝑚 = 1.5𝑘𝑔 𝑣2 − 4
2 𝑠
Finalmente, se calcula la velocidad final, V2:

2 30𝑁𝑚 𝑚2 𝑚
𝑣2 = + 16 2 = 7.48
1.5𝑘𝑔 𝑠 𝑠

Por otra parte el cambio en la energía potencial, Ep, se calcula mediante:

∆𝐸𝑝 = 𝐸𝑝2 − 𝐸𝑝1 = 𝑚𝑔ℎ2 − 𝑚𝑔ℎ1

Puesto que la masa es constante, El ∆𝐸𝑝 queda expresado como:

∆𝐸𝑝 = 𝑚𝑔∆ℎ

Evidentemente el cambio de energía potencial se debe a un cambio en la altura

del objeto, por lo tanto:
30𝑁𝑚
∆𝐸𝑝 ∆ℎ =
∆ℎ = 𝑚 𝑚 = 2.04𝑚
𝑚𝑔 1.5 𝑠 9.8 2
𝑠
1er Principio de la Termodinámica

U = Q + W

Proceso a V = cte V2 = V1 dV=0

W = − V12 Pext dV = 0
V
 U = Q + 0 = Q v

• Nuevo significado de U
• Nos da una forma de determinar U
 𝑃1 𝑉1 𝑃2 𝑉2
Q=∆U + W 𝑃𝑉 = 𝑚𝑅𝑇 𝑃𝑉 = 𝑛𝑅𝑇 = Expan:Derecha; Compr; Izquierda
𝑇1 𝑇2
Q ∆U
W
+𝑀𝑒𝑑 → 𝑆𝑖𝑠 𝑇 ↑: ∆U > 0
Proceso Diagrama: P-V Ec. Estado −𝑆𝑖𝑠 → 𝑀𝑒𝑑 𝑇 ↓: ∆U < 0 + Derecha Observaciones
- Izquierda
Isobárico 𝑇2 𝑉2 𝑄 →Cp
= 𝑚𝐶𝑝(𝑇2 − 𝑇1 ) 𝑚𝐶𝑣(𝑇2 − 𝑇1 ) 𝑃(𝑉2 − 𝑉1 )
P; Constante 𝑇1 𝑉1 ∆U → 𝐶𝑣

V,T; Varian
Isocórico 𝑇2 𝑃2
= 𝑚𝐶𝑣(𝑇2 − 𝑇1 ) 𝐸𝑥𝑝𝑎𝑛𝑑𝑒 ↑
V; Constante 𝑇1 𝑃1 ∆U 0 𝐸𝑥𝑝𝑎𝑛𝑑𝑒 ↓
T, P; Varian
Isotermico 𝑉2 𝑃1 𝑉2 𝑃1
= 𝑛𝑅𝑇𝑙𝑛( ) 𝑊 = 𝑛𝑅𝑇𝑙𝑛( )
T; Constante 𝑉1 𝑃2 W 0 𝑉1 𝑃2
V,P; Varian
5
Adiabatico 𝑀𝑜𝑛𝑜 𝛾 =
3
Q=0 (𝑃1 𝑉1 )𝛾 = (𝑃2 𝑉2 )𝛾 7
𝑚𝐶𝑣(𝑇2 − 𝑇1 ) 𝐷𝑖𝑎𝑡𝑜 𝛾 =
0 −∆U 5
(𝑇1 𝑉1 )𝛾−1 = (𝑇2 𝑉2 )𝛾−1 𝐶𝑝
𝛾= >1
𝐶𝑣
𝑅 = 𝐶𝑝 − 𝐶𝑣
Ciclo 𝑊 + 𝐻𝑜𝑟𝑎𝑟𝑖𝑜
Combinación W 0 Area encerrada 𝑊 − 𝐴𝑛𝑡𝑖ℎ𝑜𝑟𝑎
 RECUERDE:
Toda TEMPERATURA en Kelvin: T(K)=T(°C)+273

Acuerdo de signos Q +Med Sis ; W + derecha expande : Sis Med

para Q y W: -Sis Med - izquierda comprime: Med Sis

Monoatómico: Cv=3/2R; Cp=5/2R

Relaciones utilizadas:
Diatomico: Cv=5/2R; Cp=7/2R

Conversiones: 1 atm L=101,3J; 1cal=4.184J

Constantes: R=0.082atmL/molK = 8.31 J/molK (P(atm) y V(L) =0.082 1 atm
L=101.3J

𝐾𝐽
R aire= 0.287
𝐾𝑔𝐾

𝑃1 𝑉1 𝑃2 𝑉2
R aire Combinar Ec. Estado = con 𝑃1 (𝑉1 )𝛾 = 𝑃2 (𝑉2 )𝛾
𝑇1 𝑇2
PROBLEMAS:

1. Encuentre la variación de energía interna de un gas ideal

conociéndose que realizó un trabajo de 60 J mientras que recibió
un calor de 100 cal.
SOLUCION

Usando la primera ley: Q = W + ΔU

100 cal = 60 J +ΔU

100 (4,18 J) = 60 J + ΔU
ΔU= 358 J
2. Una masa de gas ideal se expande isotérmicamente realizando un
trabajo de 50 J, el calor comunicado al gas es:

SOLUCION

Es un proceso isotérmico la energía interna no varía ΔU = 0, luego en

la primera ley:
Q = W + ΔU
Q = 0 + 50 J
Q = 50. (0,24 cal)
Q = 12 cal
3. Siguiendo un proceso isobárico un mol de cierto gas ideal es
calentado en 30K comunicándole un calor de 500 cal. Calcule
el incremento de energía interna del gas.

SOLUCION

Es un proceso isobárico el trabajo de un gas también se puede

hallar con:
W = nRT
cal
W = (1 mol) ( 2 mol .K ) ( 30K )
W = 60 cal
De la primera ley:
Q = W + ΔU
500 cal = 60 cal + ΔU
ΔU = 440 cal
4. Un plano P- V muestra l proceso que sigue un gas ideal, la
energía interna en A es 60 J y en B es 75 J , halle el calor
suministrado en el proceso AB.

SOLUCION

Primero hallamos el área bajo la curva para el cálculo del

trabajo realizado.

Área de un trapecio:
A= (B +b)2 h
W = Área del trapecio
 (30 + 10)
W= (4)
2

W = 80 J
Calculo de la variación de la energía
interna ΔU
ΔU = 𝑈𝐵 − 𝑈𝐴
ΔU = 75 J − 60 J
ΔU = 15 Joules

Usando la primera ley

Q = W + ΔU
Q= 15 J +80 J
Q= 95 J
 ENTALPÍA.
• Función de estado
Entalpía
H = U + PV • Propiedad extensiva
(H)
• Unidades de energía
Proceso a P = cte

U = U 2 − U1 = Q + W = Q p − V12 P dV = Q p − P(V2 − V1 );
V

Q p = U 2 + PV2 − U1 − PV1 = H 2 − H1 = H

Relación entre H y U
solo
H = U + (PV) H = U + PV H @ U
Si P=cte sól/líq
 REFERENCIAS

• González Pérez, S. Toledo Vargas, J. J. y Bustamante Pineda, J. C.

(2019). Fisicoquímica: un nuevo enfoque por competencias. Grupo
Editorial Patria.
• Capparelli Alberto L. 2013. Fisicoquímica Básica. 1ra ed. Edit.
• Muñoz Andrés, V. (2013). Operaciones unitarias y reactores químicos.
UNED - Universidad Nacional de Educación a Distancia.
• Treybal R., 1991, “Operaciones de transferencia de masa”, Edit. Mc
Graw hill, México
GRACIAS…