SISTEMAS TERMODINÁMICOS

En la termodinámica, a

la parte macroscópica

del universo objeto de

estudio se le llama

SISTEMA. A las partes

del universo que

pueden interaccionar

con el sistema se les

llama ALREDEDORES

O ENTORNO

TIPOS DE SISTEMAS

Un sistema abierto es

aquel en el que se puede

transferir materia entre el

sistema y los alrededores.

Un sistema cerrado es

aquel en el que no es

posible tal transferencia

de materia. Un sistema

aislado es el que no

interacciona de ninguna

forma con losalrededores.

ESTADO Y EQUILIBRIO

Considere un sistema queno se somete a ningúncambio, en este caso esposible medir o calculartodas las propiedades delsistema lo que resulta enun conjunto depropiedades quedescriben por completo lacondición o el ESTADO delsistema. En un ciertoestado, todas laspropiedades tienenvalores fijos.

EQUILIBRIO

• La termodinámica estudia estados de equilibrio. La palabra

equilibrio implica un estado de balance.

• En un estado de equilibrio no hay potenciales desbalanceados (o

fuerzas impulsoras) dentro de un sistema.

• Un sistema no está en equilibrio termodinámico a menos que las

condiciones de todos los tipos relevantes de equilibrio se satisfagan

• El concepto de equilibrio puede concretarse en los tres tipos

siguientes:

• Para que exista equilibrio mecánico, tanto las fuerzas que actúan

sobre el sistema como las existentes en su interior deben estar

equilibradas; en consecuencia no existe aceleración del sistema, y

no hay turbulencias en su interior.

• Para que exista equilibrio material no deben existir reacciones

químicas globales en el sistema, ni haber transferencia neta de

materia desde una parte del sistema a otra o entre el sistema y sus

alrededores; las concentraciones de las especies químicas en las

distintas zonas del sistema son constantes con el tiempo.

EQUILIBRIO

• Si un sistema involucra dos fases, se encuentra en equilibrio de

fases cuando la masa de cada fase alcanza un nivel de equilibrio y

permanece ahí.

• Por último para que se dé el equilibrio térmico la temperatura

debe ser la misma en todo el sistema, es decir, el sistema no

involucra diferenciales de temperatura, que son fuerzas impulsoras

para el flujo térmico.

EQUILIBRIO

• Un cambio en el estado de equilibrio de un sistema se llama proceso. Enun proceso reversible el sistema se mantiene en un estado de equilibriovirtual durante todo el proceso; un proceso reversible es descrito aveces, como una sucesión de estados de equilibrio.

• Esto requiere que la diferencia de potencial (entre el sistema y losalrededores) que causa el proceso sea sólo infinitesimal ; y así, la direccióndel proceso puede ser invertida por un aumento o disminucióninfinitesimal en el potencial del sistema o los alrededores.

• Cualquier proceso real o natural ocurre en forma irreversible;pudiéndose pensar que un proceso reversible es un límite al que podamosacercarnos, pero sin alcanzarlo nunca.

PROCESO REVERSIBLE

PROPIEDADES TERMODINÁMICAS

Sirven para caracterizar un sistema en equilibrio

• La composición

• La presión

• El volumen

• La temperatura

PROPIEDADES TERMODINÁMICAS

EXTENSIVAS

• Una propiedad

termodinámica

extensiva es aquella

cuyo valor es igual a

la suma de los

valores

correspondientes a

diferentes partes del

sistema. Por ejemplo:

la masa

INTENSIVAS

• Las propiedades que no

dependen de la cantidad de

materia en el sistema se

denominan intensivas. Por

ejemplo: la densidad, la

presión

SISTEMA HOMOGÉNEO Y HETEROGÉNEO

Si cada propiedad

macroscópica intensiva es

constante a lo largo de un

sistema, éste es homogéneo

Cuando un sistema no es

homogéneo, puede constar de

una serie de partes que si lo

son.

Una parte homogénea de un

sistema se denomina fase.

Un sistema formado por dos omás fases es heterogéneo

ENERGÍA INTERNA

• La energía interna (U) consta de energía

molecular(electrónica, vibracional, rotacional), energía

relativista de la masa en reposo de los electrones (K) y del

núcleo, y energía potencial de interacción entre las moléculas

(P).

E(total)= K + P + U • Debido a que la termodinámica es una ciencia macroscópica, su

desarrollo no requiere conocer la naturaleza de U. Todo lo que

necesita son formas de medir la variación de U en un proceso. Estonos lo proporciona la primera ley de la termodinámica

CALOR Y TRABAJO

• El calor (q) es una transferencia de energía entre el sistema y

su entorno debida a una diferencia de temperatura.

• El trabajo (W) es una transferencia de energía entre el sistema

y su entorno debida a una fuerza macroscópica que actúa a lo

largo de una distancia.

• El calor y el trabajo son formas de transferencias de energía, más

que formas de energía.

ENTALPÍA

En el laboratorio, la mayor parte de los procesos químicos

físicos se efectúan bajo presión constante, y no a volumen

constante. En tales casos se escribe

o también

donde el subíndice p indica que el proceso se realiza a presión

constante. Cuando se reordena la ecuación anterior seobtiene

Definimos una nueva función llamada ENTALPÍA

ENTALPÍA

Cuando un sistema cambia del estado 1 al estado 2,

el cambio de entalpía es

ENTALPÍA

Esta ecuación se aplica si no se mantienen constantes la presión ni el volumen. Pero si ΔP=0

ENTALPÍA

ESTADO NORMAL DE LAS SUSTANCIAS PURAS

• El estado normal ( o estándar ) de una sustancia pura sedefine como sigue:

• Para un sólido o líquido puro, se define como el estadocorrespondiente a una presión P=1 bar y a unatemperatura T, donde T es la temperatura de interés. Elsímbolo para un estado normal es el símbolo de grado.

• Para un gas puro, el estado normal a temperatura T seelige como el estado en el que P=1 bar y el gas secomporta como gas ideal.

ENTALPÍA NORMAL DE FORMACIÓN

(ΔHf˚)

La entalpía normal de formación ( o calor normal deformación) de una sustancia pura a una temperatura T, es elcambio de entalpía normal para el proceso en el que se formaun mol de la sustancia en su estado normal aT, encontrándose cada elemento en su forma de referencia

0 0 0 02 2 2 5(grafito,T,P ) (gas ,T ,P ) (gas ,T ,P ) (liquido,T,P )

12C 3H O C H OH

2

f ,T (liq) f ,T (graf ) f ,T (g) f ,T (g)H (C H OH ) H (C ) H (H ) H (O )0 0 0 0

2 5 2 2

12 3

2TH0

MÉTODOS PARA CALCULAR LA ENTALPÍA

NORMAL DE FORMACIÓN (ΔHf˚)

• Método Directo

Este método funciona en compuestos que se pueden sintetizar con facilidad a partir de sus elementos. La formación de CO2 a partir de grafito y O2 es un ejemplo de ello.

MÉTODOS PARA CALCULAR LA ENTALPÍA

NORMAL DE FORMACIÓN (ΔHf˚)

• Método Indirecto

La mayor parte de los compuestos no se puedensintetizar directamente a partir de sus elementos. Enalgunos casos las reacciones:

Suceden con demasiada lentitud o no suceden

Hay reacciones secundarias que producen otroscompuestos y no el producto que se quiere obtener.

MÉTODOS PARA CALCULAR LA ENTALPÍA

NORMAL DE FORMACIÓN (ΔHf˚)

En esos casos, el valor de ΔHf˚ se puede determinar conun método indirecto, basado en la ley de Hess(llamada así en honor del químico suizo Germain HenriHess) el cual se enuncia como sigue:

Cuando los reactivos se convierten en productos, elcambio de entalpía es igual si la reacción se efectúaen un paso o en una serie de pasos

ENTALPÍAS NORMALES DE REACCIÓN

Para cualquier reacción química, se define la entalpía normal de

reacción, como:

La variación de entalpía al transformarse los números estequiométricos demoles de los reactivos puros, separados y cada uno de ellos en sus estadosnormales a temperatura T, en los números estequiométricos de moles delos productos puros, separados cada uno de ellos en su estado normal a lamisma temperatura T. con frecuencia se llama calor de reacción

0 0 0

T prod f,T reac f,T

prod reac

H H (prod) H (reac)

CAPACIDAD CALORÍFICA

La capacidad calorífica (C) es la energía que senecesita para elevar la temperatura de una cantidaddada de sustancia en 1 K

CAPACIDAD CALORÍFICA

• A volumen constante

CAPACIDAD CALORÍFICA

• A presión constante

CAPACIDAD CALORÍFICA