Unidad III Primera Ley de La Termodinamica
Unidad III Primera Ley de La Termodinamica
Unidad III Primera Ley de La Termodinamica
ERMODINMICA
Es la rama de la qumica que estudia los
cambios de energa que acompaan a
todo proceso y las leyes que rigen
dichos cambios, es decir, al identificar y
medir
los
cambios
energticos
asociados
a
una
reaccin,
la
termodinmica intenta determinar qu
es lo que impulsa la reaccin y qu es lo
que determina su fin.
Energa
Energa es la capacidad para efectuar
un trabajo. Es una propiedad
caracterstica del sistema, que al
variar, produce un efecto exterior al
sistema tal como elevar o hacer
descender un peso y/o la
temperatura, ms generalmente,
producir un cambio en el estado del
medio.
Clases de Energa
Entre otras:
nidades de energa
La energa, el trabajo y el calor tienen la misma unidad,
en el SI joule (J) y calora (cal) en el MKS.
1 calora = 4,184 J
onceptos termodinmicos
SISTEMA: parte del universo objeto de estudio
AMBIENTE (alrededores o entorno): es todo lo que
rodea al sistema y generalmente interacta con l.
LIMITES : es toda pared, contorno o borde real o ideal que
separa el sistema del ambiente.
universo
Limites
ambiente
Sistema
ipo de Limite
Limite rgido:
ipo de Limite
Limite no rgido: pared que se desplaza.
ipo de Limite
Limite permeable: pared que permite el paso de materia
atravs de ella
ipo de Limite
: Limite impermeable: pared que no permite el paso de
materia
ipo de Limite
:
ipo de Limite
:
ipos de sistemas
SISTEMA ABIERTO: Es aquel que intercambia
materia y energa con el ambiente.
ipos de sistemas
SISTEMA CERRADO: Es aquel que
intercambia energa con el medio ambiente.
Horno microondas
slo
ipos de sistemas
SISTEMA AISLADO: Es aquel que no intercambia
materia y energa con el medio que lo rodea.
Tienen energa y masa constante debido a
que sus paredes son:
- rgidas, por lo que no permiten el
intercambio de energa mecnica
- adiabticas, impidiendo el flujo de calor
-
impermeables al intercambio de
materia.
ipos de sistemas
SISTEMA
ALREDEDORES
Vapor de agua
Calor
Intercambio :
Calor
abierto
cerrado
aislado
masa y energa
energa
nada
ropiedades intensivas
Son aquellas que no dependen de la cantidad de materia y
tienen un mismo valor en cualquier punto del sistema,
ejemplo: la presin, la temperatura, la densidad, el punto de
ebullicin, punto de fusin, viscosidad, las variables de
composicin (porcentaje en peso, molaridad, normalidad,
partes por milln etc.).
ropiedades extensivas
Son aquellas que dependen de la cantidad de materia y son
aditivas, como la masa y el volumen.
ropiedades de un sistema
Si cada propiedad intensiva es constante a lo largo de un
sistema, este es homogneo, como las soluciones saturadas o
insaturadas.
Tipos de
mezclas
homogneas
ropiedades de un sistema
Un sistema no homogneo se denomina heterogneo y
cada parte homognea de l se llama fase. Eso quiere
decir que sus propiedades intensivas cambian en algunos
puntos.
Tipos de mezclas
heterogneas
onceptos Termodinmicos
Un sistema se encuentra en un estado definido
cuando cada una de sus propiedades tiene un
valor determinado.
Ejemplo: T = 380 K; P = 245 MPa; V=5 m3
onceptos Termodinmicos
Sometemos un sistema a un cambio de estado cuando existe
unas condiciones especficas iniciales hasta unas condiciones
especficas finales. El cambio de estado est completamente
definido cuando se especifican el estado inicial y el final.
onceptos Termodinmicos
La trayectoria del cambio se define especificando el estado
inicial, la secuencia de estados intermedios que va tomando el
sistema y el estado final.
onceptos Termodinmicos
La trayectoria
del cambio se define
especificando el estado inicial, la secuencia de
estados intermedios que va tomando el
sistema y el estado final.
onceptos Termodinmicos
El proceso es el mtodo de operacin
mediante el cual se realiza el cambio de
estado.
Calentamiento
fusin
calen.. evaporacin
calen..
onceptos Termodinmicos
Ciclo: Cuando un sistema sometido a un cambio de estado regresa a su
estado inicial se dice que realiz un ciclo. El proceso mediante el cual se
realiza el cambio se denomina proceso cclico.
onceptos Termodinmicos
Una variable de estado es aquella que tiene un valor definido cuando se
especifica el estado de un sistema. Ejemplo: P = 345 MPa
onceptos Termodinmicos
Funcin de estado es aquella que slo depende del estado inicial y final
del sistema y no de su recorrido o historia previa por ejemplo el
volumen, la temperatura, la presin y la energa interna.
onceptos Termodinmicos
Funcin de trayectoria es aquella que depende de la historia previa o
del recorrido o trayecto del proceso cuando un sistema cambia de estado,
por ejemplo el calor, el trabajo.
Procesos termodinmicos
Son aquellos que afectan a un sistema termodinmico al cambiar
de un estado a otro (p. ej. una reaccin qumica).
Se reconocen dos tipos extremos e ideales de procesos
termodinmicos:
Procesos termodinmicos
quilibrio termodinmico
La termodinmica clsica trata con sistemas en equilibrio. El
concepto de equilibrio puede dividirse en tres tipos:
a) Equilibrio mecnico: donde las fuerzas que actan sobre
el sistema, como las que actan en su interior, estn
equilibradas, no existe aceleracin ni turbulencia en el
sistema.
quilibrio termodinmico
b) Equilibrio material: en el cual no existen reacciones
qumicas globales en el sistema, ni hay transferencia neta de
masa de una parte del sistema a otra, las concentraciones de
las diversas especies qumicas del sistema son constantes con
el tiempo.
Reaccin: H2 + I2 =
2 HI
quilibrio termodinmico
c) Equilibrio trmico: no puede haber variacin en las
propiedades del sistema o medio ambiente cuando estn
separados por una pared diatrmica.
ey cero de la termodinmica
Los sistemas en equilibrio trmico tienen entre s una misma
propiedad que llamaremos temperatura. Por definicin dos
sistemas en equilibrio trmico tienen la misma temperatura.
TA
TB
TC
TA
TC
U U f U i
Trabajo
El trabajo es una interaccin entre el sistema y su medio que
tiene lugar en los bordes del sistema. Tiene que haber
movimiento
Trabajo es la energa que le transfiere un cuerpo a otro
cuando lo empuja, lo jala o lo levanta
El cuerpo que ejerce la fuerza sobre el otro cuerpo
pierde parte de su energa total. Esta energa la gana
el otro cuerpo
El trabajo est dado por el producto de un factor de
intensidad X (tal como fuerza) y un factor de capacidad Y (tal
como distancia):
dw = Xdy
Trabajo
Cuerpo que empuja,
jala o levanta (que
realiza Trabajo)
Nosotros cuando
levantamos un cuerpo
del piso a la mesa
El cuerpo que
levantamos. El Trabajo
que recibe aumenta su
energa potencial
La bola en reposo se
mueve despus del
choque. La otra bola
disminuye su velocidad.
Tipos de Trabajo
___________________________________________________
Proceso
dw = Xdy
Comentarios
___________________________________________________
Trabajo mecnico
dw = Fedl
Fe = fuerza externa
l = desplazamiento
Trabajo tensin
dw = kldl
kl = tensin
l = desplazamiento
Trabajo superficial
dw = gdA
g = tensin superficial
A = rea
Trabajo gravitacional
dw = mgdl
m = masa
g = constante
gravitacional
l = desplazamiento
Tipos de Trabajo
___________________________________________________
Proceso
dw = Xdy
Comentarios
___________________________________________________
Trabajo expansin
dw = -PdV
P = presin externa
V = volumen
Trabajo de celda
dw = VdQ
Electroqumica
dw = VIdt
V = diferencial de
potencial elctrico
Q = cantidad de
electricidad
I = corriente elctrica
t = tiempo
___________________________________________________
Embolo (pistn)
mvil
Cilindro
Gas
Molculas
del gas
Trabajo
en los
cambios deP-V
volumen
Trabajo
y diagrama
El caso ms simple es un
proceso termodinmico que
implica cambios en el volumen a
presin externa constante.
Aplicando el concepto de
trabajo mecnico:
W = F x
Como P = F/A F = P A:
W = P A x Como A x = V:
F/A
PP==F/A
FF==PPAA
W== PP VV == PP(V
(Vff VVi i))
W
Slo se
se realiza
realiza trabajo
trabajo cuando
cuando
Slo
hay cambio
cambio de
de volumen
volumen
hay
Convencin
para P-V
W
Trabajodey signos
diagrama
+w
SISTEMA
-w
Calor (q)
Se define como la energa que se transfiere entre un sistema y sus
alrededores durante un cambio en el estado del sistema y se transfiere
como resultado de una diferencia de temperatura entre el sistema y sus
alrededores. Al menos que se realice trabajo, el calor transferido estar
dirigido desde el punto de mayor temperatura al de menor temperatura.
Radiacin
Conduccin
Conveccin
Temperatura
900C
mayor energa trmica
400C
menor energa trmica
Ambiente
Exotrmico (-)
Endotrmico (+)
Ambiente
Primera ley
de la termodinmica
Funcin
de energa
interna
Es el principio de conservacin de la energa aplicado a un
sistema: la energa no puede crearse ni destruirse, slo
transformarse de una forma a otra.
Primera ley
de la termodinmica
Funcin
de energa
interna
+q
-q
Ambiente
+w
Sistema
U = q + w
-w
qq==calor
caloragregado
agregadoalalsistema
sistema
ww==trabajo
trabajorealizado
realizadopor
porlos
losalrededores
alrededoressobre
sobreelelsistema
sistema
U
U==incremento
incrementoen
enlalaenerga
energainterna
interna
Procesos adiabticos
Un proceso adiabtico es aquel en el que no hay
intercambio de energa trmica q entre un sistema y sus
alrededores.
De
De la
la primera
primera ley:
ley:
U=
U= qq ++ ww
Si
Si qq == 00 (proceso
(proceso adiabtico)
adiabtico) entonces,
entonces,
U=
U= 00 ++ ww
Por
Por lo
lo tanto,
tanto,
ww == U
U
Procesos isobrico
Un proceso isobrico es aquel en el que la presin
permanece constante.
Si
Si PP== constante
constante entonces:
entonces:
ww == -P
-PV
V
Por
Por lo
lo tanto,
tanto,
U
U == ww ++ qq
Procesos isocricos
Un proceso isocrico es aquel en el que el volumen del
sistema permanece constante.
De
De la
la primera
primera ley:
ley:
U
U == qq ++ ww
Si
Si W
W== 00 (proceso
(proceso isocrico)
isocrico)
entonces
entonces U
U == ++ qq
Por
Por lo
lo tanto,
tanto, U
U == qq
Procesos isotrmicos
Un proceso isotrmico es aquel en el que la temperatura
del sistema permanece constante.
De
De la
la primera
primera ley:
ley:
U
U == qq ++ ww
Si
Si U
U == 00 (proceso
(proceso isotrmico)
isotrmico) entonces
entonces
=q
=q ++ ww
Por
Por lo
lo tanto,
tanto, qq ==- ww
Resumen de ecuaciones
Q W U
U Q W
Primera Ley
Ley de
de la
la
Primera
Termodinmica
Termodinmica
Q W U
Proceso isobrico
isobrico
Proceso
W
W== -U
-U
Proceso adiabtico
adiabtico
Proceso
Q
Q== U
U
Q
Q== W
W
Proceso isocrico
isocrico
Proceso
Proceso isotrmico
isotrmico
Proceso
Bibliografia consultada
ATKINS, P. W. Fisicoqumica. 3ed. New York. Addison-Wesley. 1991.
pp. 66-85.
CASTELLAN , Gilbert N. Fisicoqumica. 2ed. Mxico. AddisonWesley. 1989.
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CROCKFORD, H. and KNIGHT, Samuel. Fundamentals of physical
chemistry. 2ed.
New York. John Wiley & sons. 1964. pp. 77-88.
LEVINE, Iran. Fisicoqumica. 3ed. Madrid. Mcgraw-Hill. 1991. pp. 4181; 243-257.
MARON, Samuel y PRUTTON, Carl. Fundamentos de fisicoqumica.
Mxico. Limusa. 1977. pp. 54-55, 109-141
MARK, Melvin. Termodinmica. Marimar. pp. 178
METZ, Clyde R. Fisicoqumica. Segunda edicin. Bogot. McGrawHil,
1991. pp. 51-82.
Bibliografia consultada
MOORE, Walter J. Fisicoqumica bsica. Mxico,
Prentice-Hall,1986. pp. 94-120.
PERRY H., Robert y CHILTON H., Cecil. (Editores).
Biblioteca del ingeniero qumico. 5ed. 2ed. en
espaol. Mxico, McGrawHill, 983. V II, pp. 4-47 :
4-81.
RINCN P., Fabio y ESCOBAR M. Jaime.
Fundamentos de fisicoqumica. Medelln.
Universidad de Antioquia, 1989. pp. 88-167.
SMITH, J.M. and VAN NESS, H. C. Introduction to
Chemical engineering Thermodynamic. 2ed.
McGraw-Hill, New York
1959. pp. 25-84.
MUCHAS GRACIAS
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