UNIVERSIDAD INCA GARCILASO DE LA VEGA

CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA INDUSTRIAL

FISICOQUÍMICA

I LEY DE TERMODINÁMICA

ING. ROSARIO MARCOS MEZARINA2011

TERMODINÁMICA

La termodinámica estudia el flujo del calor, de la conversión de este

en trabajo mecánico y de las transformaciones de una energía

en otra.

Las energías se agruparan de dos formas, calor y trabajo

DEFINICIONES TERMODINÁMICAS

Las reacciones químicas obedecen las leyes fundamentales:

- Ley de la conservación de la masa- Ley de la conservación de la energía

Sistema.- es la porción del universo escogida para consideraciones termodinámicas. Estas pueden ser:

- Abierto; cuando es posible intercambiar materia o energía con el entorno.

- Cerrado; puede intercambiar energía pero no masa con el entorno.

- Aislado.- no puede intercambiar masa ni energía con el entorno.

Universo = Sistema + Entorno

SISTEMAS

Sistema

ENTORNO

ENTORNO

SISTEMAS

ESTADOS DEL SISTEMA

Sistema = Piña coladaV = 200 ml, P = 1 atm, T = 15ºCSon variables que determinan las Propiedades Termodinámicas

del sistema

Estado del Sistema = número mínimo de propiedades

termodinámicas

Si le cambiamos la temperatura de nuestro sistema diremos que

se produjo un Cambio de Estado Termodinámico

ENERGÍAS

Es la capacidad para efectuar un trabajo

Energía Radiante

Energía Nuclear

Energía Eléctrica Energía Mecánica

Energía Química

Energía Térmica

ENERGÍA CINÉTICA Y POTENCIAL

La energía cinética es la energía del

movimiento

La energía potencial es la energía de la

posición de un objeto

PROCESOS TERMODINÁMICOS

Es el proceso mediante el cual un sistema pasa de un estado a otro cambiando una o toda las propiedades

termodinámicas

Existen diferentes clases de procesos: Isotérmico Isobárico Isocórico Adiabático Reversible Irreversible Cíclico

FUNCIÓN DE ESTADO

Las propiedades intensivas son características de cada sustancia e independientes de su cantidad.

Las propiedades extensivas son características que dependen de la cantidad de materia del sistema.

Una función de estado es aquella que depende únicamente del estado inicial y final del sistema, sin

importar el proceso seguido.

ENERGÍA INTERNA

Es una propiedad extensiva que depende de la cantidad y calidad de la materia. Además es

directamente proporcional a la temperatura del sistema.

La energía interna de un sistema es la suma de todas las energías asociadas a las moléculas

o iones que conforman el sistema.

Debido a que no se puede determinar el valor de la energía en un estado particular, este se determinará como ∆E que sufre un sistema

debido a un proceso termodinámico.

ENERGÍA

CALOR

Es la transferencia de energía térmica entre dos

cuerpos que están a diferentes temperaturas.

El flujo del calor se produce de un cuerpo caliente a otro que se

encuentra frío.

CALOR = q

CALOR

m = masac = calor específico

∆T = T final – T inicial

q = m c ∆T

Calor específico: es la cantidad necesaria para elevar en 1 ºC la temperatura de 1g de una sustancia. [cal/g x grado], [J/g x grado]

CAPACIDAD CALORÍFICA MOLAR

n = número de molesC = capacidad calorífica molar

∆T = T final – T inicial

q = n C ∆T

C: es la cantidad de calor necesario para elevar en 1 ºC la temperatura de 1 mol de una

sustancia. [cal/mol x grado], [J/mol x grado]

CAPACIDAD CALORÍFICA

C = m. c

C = capacidad calorífica

m = masa

c = calor específico

TRABAJO

TRABAJO = w

Es una forma de energía que no es calor.

Trabajo mecánico = F x d

PRIMERA LEY - TERMODINÁMICA

El Primer Principio de la Termodinámica es el enunciado cuantitativo del Principio General de Conservación de la

Energía. Sus postulados son: Las propiedades de un sistema en equilibrio termodinámico dependen de su situación actual y no de los antecedentes. El contenido de energía es una función del estado del sistema. En cualquier ciclo de cambios por el cual el sistema es restaurado a su estado inicial. La suma algebraica de los intercambios de energía con los sistemas limitantes es cero. La energía resultante de pasar un sistema de un estado a otro solo depende de las condiciones iniciales y finales y no del camino seguido.

PRIMERA LEY - TERMODINÁMICA

Cuando la energía interna de un sistema varía, es porque parte de ella se ha

transformado en calor o trabajo

El ∆E interna de un sistema tiene un ∆E

del entorno con signo negativo

∆E sistema + (-∆E entorno) = 0

PRIMERA LEY - TERMODINÁMICA

P

PdV

En una compresiónw = P ∆V

q = ∆E + P ∆V

Estas ecuaciones son generales y aplicables al cálculo de w, q y ∆E, en cualquier expansión o compresión de un sistema. Sin embargo estas ecuaciones pueden tomar

otras formas.

Ω

β

En una expansiónw = -P ∆V

PRIMERA LEY - TERMODINÁMICA

1. Si el volumen es constante, ∆V = 0, la ecuación (Ω), se convierte en:

∆E = q

2. Si la presión de oposición es cero, o sea se trata de una expansión libre (p = 0). Entonces la ecuación (Ω) se convierte

en:∆E = q

PRIMERA LEY - TERMODINÁMICA

3. Si la presión de oposición es constante (p), la ecuación (β) se convierte en:

w = p (V final – V inicial)

Y la ecuación (Ω): ∆E = q – p (V final – V inicial)

4. Si la presión de oposición es variable debe quedar establecida como una

función de V. Entonces se debe graficar p vs V. El área bajo la curva será w.

PRIMERA LEY - TERMODINÁMICA

5. Si el calor y el trabajo son realizados sobre el sistema tienen signo (+), en cambio

cuando el calor y el trabajo son efectuados por el sistema tienen signo (-).

6. Tanto el calor que se agrega a un sistema como el trabajo que se efectúa sobre el sistema aumentan la energía interna.

1. PROCESO ISOTÉRMICO

La energía interna depende de la ºT, entonces si T = cte:

∆E interna = 0 (PV = cte)

1. PROCESO ISOTÉRMICO

q, entregado al sistema = w, realizado por el sistema hacia el entorno

En una expansión isotérmica reversible el trabajo máximo de un gas ideal es igual al trabajo mínimo

gastado del exterior necesario para comprimir el gas:

wm = nRT ln V2/V1

wm = nRT ln P1/P2

2. PROCESOS ISOBÁRICOS

Es un proceso a presión constante, comúnmente

sucede en sistemas abiertos a la presión

atmosférica (V/T = cte)

∆E = q – P∆V

2. PROCESOS ISOBÁRICOS

Cuando se añade o disminuye calor a un sistema, se produce una variación de ºT:

q = m c ∆T

Cp = capacidad calorífica molar a presión constanteCv = capacidad calorífica molar a volumen constante

La entalpía (H) es el contenido de calor de un sistema en un proceso a presión constante:

q = ∆H

Para un proceso isobárico tendremos:

∆E = ∆H – P∆V

2. PROCESOS ISOBÁRICOS

GAS CV CPMonoatómico 3/2 R 5/2 R

Diatómico 5/2 R 7/2 R

Triatómico 7/2 R 9/2 R

En un sistema de gases ideales a presión constante:

qp = ∆H = n Cp ∆T

3. PROCESOS ISOCÓRICOS

w = P ∆V = 0

Como la variación del volumen es nula, entonces

el sistema no ejerce ni recibe trabajo. (P/T = cte)

∆E = q

q = n Cv ∆T

Cp – Cv = R

4. PROCESOS ADIABÁTICOS

∆E = w

En un proceso adiabático el sistema no recibe ni

entrega calor del entorno, entonces la energía interna

solo depende del trabajo realizado o recibido por el

sistema.

q = 0

Para w hecho sobre el sistema: ∆E = -w

4. PROCESOS ADIABÁTICOS

Si en un proceso adiabático hay una compresión, el entorno ejerce trabajo sobre el sistema (∆E >0), en

cambio en una expansión, el sistema efectuará trabajo sobre el entorno (∆E <0).

Proceso w ∆E ∆T

Compresión + + +

Expansión - - -

4. PROCESOS ADIABÁTICOS

EXPANSIÓN

w Adiabático → ACDEw Isotérmico → ABDE

Curva AB → Proceso isotérmicoCurva AC → Proceso adiabático

w Adiabático < w Isotérmico

D E

4. PROCESOS ADIABÁTICOS

COMPRESIÓN

-w Adiabático → ACDE-w Isotérmico → ABDE

Curva AB → Proceso isotérmicoCurva AC → Proceso adiabático

w Adiabático > -w Isotérmico

A

C

B

D E

4. PROCESOS ADIABÁTICOS

∆E = w = n Cv ∆T Compresión

PROCESOS TERMODINÁMICOS

Un proceso cíclico es cuando un sistema retorna a su estado original, resultando ∆E = 0

En cuanto al trabajo hecho por el sistema este será igual al calor absorbido por el proceso, q = w

Un proceso reversible se realiza bajo fuerzas opuestas balanceadas, es decir se producen una serie de estados de equilibrio, de manera que en cualquier momento se

puede regresar al estado inicial.

En un proceso irreversible se obtiene menos trabajo del que se requiere para restaurar el sistema en su estado

original.