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Termodinámica y equilibrio (Presentación PowerPoint)




Enviado por Pablo Turmero



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    1.-INTRODUCCIÓN. En esto último radica gran parte
    de su aplicabilidad e interés en química. Uno de
    los aspectos más importantes de la química es la
    producción y el flujo de la energía La
    Termodinámica estudia los intercambios de energía
    que se producen en los procesos físico-químicos.
    permite estimar la reactividad química, (CONSTANTE DE
    EQUILIBRIO DE UNA REACCIÓN), a partir de las propiedades
    de los reactivos y productos de reacción.

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    Comemos alimentos Para mantener nuestras funciones
    biológicas Quemamos combustibles Para producir
    energía eléctrica Para calentar nuestras casas Para
    generar potencia en aviones, trenes, automóviles. Usamos
    cubitos de hielo Para enfriar bebidas Usamos calor Para convertir
    masa cruda en pan horneado

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    Todos estos ejemplos nos indican que las reacciones
    químicas tienen algo en común: Las reacciones
    químicas implican cambios de energía. La
    combustión de la gasolina libera energía La
    separación del agua en hidrógeno y oxígeno,
    requiere energía El estudio de la energía y sus
    transformaciones se conoce como TERMO DINÁMICA Therme
    “calor” Dynamis “Potencia”

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    La invención del termómetro se atribuye a Galileo,
    aunque el termómetro sellado no apareció hasta
    1650. Los orígenes de la Termodinámica como ciencia
    podrían establecerse en la época de la
    invención del termómetro, que se atribuye a Galileo
    En reacciones que se desarrollan bajo condiciones controladas, la
    medición de las variaciones de temperatura permite deducir
    los intercambios de calor (calores de reacción).

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    Termómetro de cristal, basado en el principio
    físico de que la densidad de un líquido cambia
    según la temperatura, descubierto por Galileo Galilei
    (1564-1642). En función de los cambios de
    temperatura, las bolas de cristal que se encuentran en el
    interior del termómetro, se desplazan hacia arriba
    o abajo, generandose dos zonas; una en la parte superior y
    otra en la parte inferior.Cada bola lleva una placa grabada con
    la temperatura de correspondencia con la densidad del
    líquido.La temperatura ambiente es mostrada por la
    bola mas baja del conjunto de bolas que se encuentra en la zona
    superior del termómetro.Rango de 18 a 24ºC (de 2 en 2
    grados)

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    Los termómetros modernos de alcohol y mercurio fueron
    inventados por el físico alemán Gabriel Fahrenheit,
    quien también propuso la primera escala de temperaturas
    ampliamente adoptada, que lleva su nombre. Punto de fusión
    del hielo 32ºF Punto de ebullición del agua
    212ºF. 212-32=180 (La magnitud del grado Fahrenheit es menor
    que la del grado centígrado)

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    La escala centígrada, o Celsius, fue diseñada por
    el astrónomo sueco Es utilizada en la mayoría de
    los países. El punto de congelación es 0 grados
    (0 ºC) y el punto de ebullición es de
    100 ºC. Anders Celsius

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    Por último la escala de temperaturas absolutas o escala
    Kelvin, tiene su cero a una temperatura de –273.15ºC,
    aunque la magnitud del grado Kelvin es igual a la del grado
    Celsius. Para convertir una temperatura en la escala Celsius (TC)
    en su valor en la escala Kelvin (TK), usamos la expresión:
    TK = TC + 273.15

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    Este área de estudio se desarrolló mucho con la
    revolución industrial Interesaba conocer las relaciones
    entre calor, trabajo y el contenido energético de los
    combustibles. Maximizar el rendimiento de las máquinas de
    vapor Científicos que destacaron por la realización
    de investigaciones y descubrimientos muy relevantes en
    relación a la Termodinámica fueron, entre otros,
    Boltzmann, Carnot, Clapeyron, Clausius, Gibbs, Helmholtz, Hess,
    Joule, Kelvin, Maxwell…

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    2. Sistema y medio ambiente. Convenio de signos de los
    intercambios energéticos. Condiciones estándar
    Pueden ocurrir intercambios de materia y/o energía entre
    sistema y medio ambiente, pero éstos deben ser
    controlados. “experimento” sistema medio
    ambiente

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    Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se
    efectúa sobre el sistema son positivos Tanto el calor
    perdido por el sistema como el trabajo efectuado por el sistema
    sobre su entorno son negativos El convenio de signos para los
    intercambios de energía, en forma de calor y trabajo,
    entre sistema y medio ambiente es el siguiente:

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    Tanto el calor que se agrega al sistema como el trabajo que se
    efectúa sobre el sistema son positivos aumentan su
    energía. Tanto el calor perdido por el sistema como el
    trabajo efectuado por el sistema sobre su entorno son negativos;
    reducen la energía del sistema. q>0 w>0 q<0
    w<0

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    q>0 w>0 q<0 w<0 E EL QUÍMICO ES EL SISTEMA y
    lo ve desde dentro El FÍSICO lo ve desde fuera

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    El químico ve el sistema desde dentro, como si EL fuese el
    sistema

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    Por ejemplo un sistema está en equilibrio térmico
    con el medio ambiente cuando no hay flujo neto de calor entre
    ambas partes del universo. La Termodinámica se relaciona
    con los estados de equilibrio. Un estado de equilibrio es
    aquél en el que las propiedades macroscópicas del
    sistema, temperatura, densidad, composición
    química, etc., están bien definidas y no
    varían. La Termodinámica permite discernir si es
    posible pasar de un estado de equilibrio a otro, pero no la
    velocidad de dicha transformación.

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    Ejemplos de funciones de estado son: temperatura, presión,
    volumen, energía interna, entalpía, etc. Para
    descripción de los sistemas termodinámicos se hace
    obteniendo los valores de ciertas magnitudes llamadas funciones
    de estado Una función de estado es una propiedad del
    sistema que tiene cierto valor definido para cada estado y es
    independiente de la forma en que se alcanza este estado. 1 2 Una
    función de ESTADO: NO DEPENDE DE LA HISTORIA DEL SISTEMA
    SINO DE SU CONDICIÓN ACTUAL

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    Las propiedades termodinámicas de un sistema dependen de
    las condiciones particulares del mismo. Por ello se definen unas
    condiciones estándar, que permiten establecer unos estados
    de referencia. Ejemplo: para una muestra de gas dependen de la
    presión.

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    Dichas condiciones estándar, son las siguientes: ?? Para
    gases puros o en una mezcla de gases, la presión parcial
    de 105 Pa, suponiendo comportamiento ideal. El valor de 105 Pa es
    ligeramente menor que 1 atmósfera. ?? Para sustancias
    disueltas la concentración 1 molal aproximadamente igual a
    1 molar), suponiendo comportamiento ideal. ?? Para sólidos
    y líquidos puros su forma más estable bajo la
    presión de 1 atmósfera. Las condiciones
    estándar pueden darse para cualquier temperatura. No
    obstante las tablas de propiedades termodinámicas en
    condiciones estándar suelen recoger datos correspondientes
    a 25ºC.

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    La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada
    (IUPAC, siglas en inglés) publicó en su
    página web un glosario revisado en el 2000, en la cual se
    definen los términos “Condiciones Normales”
    (Normal Conditions), “Estándar” (Standard) y
    “Condiciones Estándares para los gases”
    (Standard Conditions for Gases). Estándar: Es un valor
    exacto o un concepto establecido por autoridad o por acuerdo, que
    sirve como modelo o regla en la medición de una cantidad o
    en el establecimiento de una práctica o procedimiento, en
    el análisis de la contaminación del aire, o el uso
    de los gases, líquidos y sólidos de referencia
    estándar para calibrar equipos. Condiciones
    Estándares para Gases: A veces se indica con la
    abreviación STP. Temperatura: 273,15 K (0ºC).
    Presión: 105 pascales. La IUPAC recomienda descontinuar el
    uso inicial de la presión de 1 atm (equivalente a 1,01325
    x 105 Pa) como presión estándar.

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    Condiciones Normales: Es un término cualitativo que
    depende de la preferencia del investigador; a menudo implica la
    presión del ambiente y la temperatura del lugar. Es
    preferible que estas variables de temperatura y presión
    sean fijadas como valores representativos de las condiciones
    actuales (o rango de condiciones) empleadas en el estudio.
    CONCLUSIÓN Para fines prácticos no hay una
    diferencia significativa entre 1,01325x105Pa y 105 Pa. Podemos
    seguir empleando la presión de 1 atm para cálculos
    que no requieran un rigor científico. De acuerdo a las
    definiciones anteriores, podemos resumir lo siguiente:
    Condiciones Estándares: 1 atm y 0ºC. Condiciones
    Normales: Presión y Temperatura del lugar. Depende de las
    condiciones a las cuales se esté haciendo el experimento,
    estudio o medición; comúnmente para la
    presión es 1 atm, y la temperatura: 15ºC, 20ºC,
    25ºC ó 27ºC.

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    3. Energía interna, calor y trabajo La energía
    interna de un sistema, E, puede definirse como la suma de todas
    las energías de las partículas, (átomos o
    moléculas), que constituyen dicho sistema. A causa de la
    gran variedad de tipos de movimientos e interacciones, no es
    posible determinar la energía exacta de ningún
    sistema de interés práctico. Normalmente estamos
    más interesados en determinar las variaciones de E en un
    proceso dado. Estas variaciones se producen por intercambios de
    calor y/o trabajo.

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    Joule comprobó en un experimento célebre que se
    podía obtener el mismo incremento de temperatura de una
    masa de agua calentando (aportando calor al sistema), o bien
    agitando dicha masa de agua mediante unas paletas, pero sin
    calentar (es decir realizando trabajo sin aportar calor). Ello
    demuestra que se puede modificar la energía interna de un
    sistema, (pasar de un estado E1 a un estado E2), mediante
    intercambios de calor y/o intercambios de trabajo.

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    el calor y el trabajo intercambiados en un proceso no son
    funciones de estado (su valor depende de la forma en que se
    realice el proceso). El calor y el trabajo sólo son formas
    de intercambio de energía. Por tanto la energía
    interna es una función de estado del sistema (su valor
    sólo depende de los estados inicial y final),

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    La cantidad de calor intercambiado para pasar una cierta cantidad
    de materia de una temperatura T1 a otra T2 será pues: Q =
    n Cp (T2 – T1) Donde n es el número de moles de la
    muestra. 4. Intercambios de calor Se define la CAPACIDAD
    CALORÍFICA de una sustancia como la cantidad de calor a
    aportar para elevar en un grado Kelvin la temperatura de un mol
    de dicha sustancia. UTILIZAREMOS LA CAPACIDAD CALORÍFICA
    PARA PROCESOS QUE OCURREN A PRESIÓN CONSTANTE, Cp. Sus
    unidades en el Sistema Internacional de unidades (SI) son J/( mol
    K). Las capacidades caloríficas se supondrán
    invariantes con la temperatura, aunque en rigor son dependientes
    de T.

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    También se suele utilizar el calor específico (CE)
    en los cálculos de intercambios de calor. CE se define
    como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado
    Kelvin la temperatura de un gramo de una determinada sustancia.
    Por ejemplo el calor específico del agua es de 1
    caloria/(g ºK) o 4.18 J/(g ºK). Cuando se utiliza CE el
    cálculo del calor intercambiado se realiza mediante la
    expresión: Q = m CE (T2 – T1) Donde m es la masa de
    la muestra.

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    Durante los cambios de fase, (vaporización, fusión,
    etc.), se intercambia calor sin variación de temperatura.
    Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores
    latentes de cambio de estado. Por ejemplo Qvap, expresado en
    J/mol, representaría la cantidad de calor necesaria para
    vaporizar un mol de una sustancia. Q = n Qcambio estado

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    Durante los cambios de fase, (vaporización, fusión,
    etc.), se intercambia calor sin variación de temperatura.
    Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores
    latentes de cambio de estado. Por ejemplo Qvap, expresado en
    J/mol, representaría la cantidad de calor necesaria para
    vaporizar un mol de una sustancia. Q = n Qcambio estado

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    5. Medida de los intercambios de calor en las reacciones
    químicas vamos a ver la forma en que se puede medir
    experimentalmente el calor intercambiado en algunas reacciones
    químicas Ciertas reacciones químicas desprenden
    calor, que va a parar al medio ambiente. según el convenio
    de signos, consideramos el calor de dichas reacciones como
    negativo Q < 0 reacciones exotérmicas Otras reacciones
    necesitan absorber calor del medio ambiente para producirse.
    Según el convenio de signos, consideramos el calor de
    dichas reacciones como positivo Q > 0 reacciones
    endotérmicas.

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    Para la medida de los calores de reacción se utilizan los
    calorímetros. En el caso de las reacciones de
    combustión se utiliza una bomba calorímetrica.
    consta de un recipiente de acero que se puede cerrar
    herméticamente, sumergido en una masa de agua ma que
    está aislada del exterior (por ejemplo mediante una pared
    de aire) para evitar pérdidas de calor. La masa del
    recipiente de acero la denominaremos masa del calorímetro
    (mc).

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    El recipiente de acero va provisto de un portamuestras donde
    colocamos la sustancia que va a experimentar la combustión
    una resistencia eléctrica realiza la ignición de la
    muestra una entrada de gas oxígeno en exceso para la
    combustión Se utiliza un termómetro para medir la
    variación que experimenta la temperatura del agua y el
    calorímetro a consecuencia del calor intercambiado por la
    reacción química.

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    si la reacción química libera calor éste
    será absorbido en su totalidad por el agua y el
    calorímetro, aumentando su temperatura desde un valor
    inicial T1 a un valor final T2. Si conocemos los calores
    específicos del agua (Ca) y del acero del
    calorímetro (Cc) podremos calcular el calor intercambiado
    por la reacción. un sistema es la reacción otro
    sistema: el conjunto de agua y calorímetro DEBEMOS TENER
    EN CUENTA para una reacción exotérmica
    (Qreacción < 0) aumentarán su temperatura ya que
    absorben calor, siendo dicho calor positivo

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    LAS REACCIONES QUE OCURREN EN LA BOMBA CALORIMÉTRICA SE
    PRODUCEN A VOLUMEN CONSTANTE (no hay expansión de gases)
    Entonces se cumple: Q liberado por la reacción – Q
    absorbido por el agua y calorímetro Qreacción = –
    (ma Ca + mc Cc) (T2 – T1) En ocasiones para simplificar, el
    producto mc Cc se expresa como la constante del
    calorímetro (kc), cuyas unidades son J/ºK quedando la
    expresión como: Qreacción = – (ma Ca + kc) (T2
    – T1) =

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    (Gp:) Calorímetro de Berthelot Otros tipos de
    calorímetros útiles para otro tipo de reacciones,
    por ejemplo reacciones de disolución o de
    neutralización entre un ácido y una base. En estos
    casos se puede utilizar el calorímetro de Berthelot o bien
    una variante simplificada En este tipo de calorímetros el
    cierre no es hermético, por lo que la reacción se
    produce a presión constante. consistente en dos vasos de
    espuma de poliestireno, anidados uno dentro del otro, en el
    más interno se realiza la reacción y la
    cámara de aire entre ambos evita las pérdidas de
    calor.

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    6. Trabajo producido por las reacciones químicas ES
    POSIBLE OBTENER TRABAJO A PARTIR DE LAS REACCIONES
    QUÍMICAS

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    Por ejemplo para la expansión de un gas en un
    émbolo bajo presión externa constante, (es el caso
    de la máquina térmica de vapor), el trabajo
    realizado por el sistema sobre el medio ambiente será: W =
    – PV Donde P es la presión externa e DV es la
    expansión de volumen experimentada por el
    émbolo.

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    El primer principio de la Termodinámica es la ley de
    conservación de la energía. La energía no se
    crea ni se destruye, sólo se intercambia bajo las formas
    de calor o trabajo. Establece que para un sistema de masa
    constante la variación de energía interna al pasar
    de un estado a otro es igual a la suma de los intercambios de
    energía en forma de calor y trabajo. ??E = Q + W 7. Primer
    principio de la Termodinámica

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    E = mgh E = ½ mv2 E = aplasta + calor PRIMER PRINCIPIO DE
    LA TERMODINÁMICA.

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    En general, la energía se puede convertir de una forma a
    otra. -La energía potencial se puede convertir en
    energía cinética -La energía cinética
    puede servir para efectuar trabajo y generar calor. Una de las
    observaciones más importantes en la ciencia es que la
    energía no se crea ni se destruye: la energía se
    conserva. Cualquier energía que un sistema pierda
    deberá ser ganada por el entorno, y viceversa. Esta
    observación tan importante y fundamental se conoce como
    primer principio de la termodinámica También puede
    denominarse ley de la conservación de la
    energía.

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    (Gp:) Calorímetro de Berthelot 8. Entalpía y
    calores de reacción. Las reacciones químicas pueden
    producirse en dos tipos de condiciones: a volumen constante,
    cuando ocurren en el interior de un reactor cerrado
    hermético y rígido (por ejemplo sería el
    caso del calorímetro para reacciones de
    combustión); a presión constante, cuando ocurren en
    recipiente abierto a la atmósfera. más relevante
    para el estudio de la mayor parte de las reacciones
    químicas de interés desde el punto de vista de la
    ingeniería civil.

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