COLEGIO SAN JOSE3º Medio Diferenciado

¿Qué relación presentan estas imágenes con la termodinámica?

Comemos alimentos

Para mantener nuestras funciones biológicas

Quemamos combustibl

es

Para producir energía eléctricaPara calentar nuestras casasPara generar potencia en aviones, trenes, automóviles.

Usamos cubitos de

hielo

Para enfriar bebidas

Usamos calor Para convertir masa cruda en pan horneado

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”

Conservación de la energía

Si, por ejemplo, una niña desciende por un tobogán, la energía potencial que tenía cuando estaba arriba se convertirá en energía cinética al descender. En el caso del patinador de la ilustración siguiente, la energía cinética y la potencial se van transformando una en otra según se mueve de un lado para otro.

En ocasiones podemos creer que la energía desaparece cuando no descubrimos en qué se ha convertido. Por ejemplo, cuando un automóvil frena, la energía cinética que tenía el coche se convierte fundamentalmente en calor y aumenta la temperatura del sistema de frenado, de los neumáticos y del asfalto; también, con el rozamiento con el aire se genera calor.Otro tipo de energía que, como el calor, se disipa en muchos procesos es el ruido (energía sonora).

La palabra termodinámica proviene de los vocablos griegos thermos (calor) y dynamis (potencia), que describe los primeros esfuerzos por convertir el calor en potencia. Hoy día el mismo concepto abarca todos los aspectos de la energía y sus transformaciones, incluidas la producción de potencia, la refrigeración y las relaciones entre las propiedades de la materia.

La termodinámica estudia la energía, la transformación entre sus distintas manifestaciones, como el calor, y su capacidad

para producir un trabajo. Está íntimamente relacionada con la mecánica estadistica de la cual se pueden derivar numerosas relaciones termodinámicas estudiando los sistemas físicos a

nivel macroscópico.

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).

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 quedestacaron por la realización de investigaciones y

descubrimientos muy relevantesen relación a la Termodinámica fueron, entre otros,

Boltzmann, Carnot, Clapeyron,Clausius, Gibbs, Helmholtz, Hess, Joule, Kelvin,

Maxwell…

Estados de un sistema

Sistema: Es lo que se desea estudiar, es una parte específica del universo.

Entorno: Es todo lo que rodea al sistema material. Limite o frontera: Separación del sistema, real o

imaginaria, con su entorno. Universo: Es el sistema mas el entorno.

Un sistema termodinámico es un aparte del sistema que se aísla, mediante límites reales o ficticios, para su estudio. Todo lo que rodea al sistema, pudiendo o no relacionarse con él, se llama entono. El conjunto del sistema con el entorno forma el universo. 

 

La parte del sistema que interacciona con el sistema se le conoce como alrededor. Las interacciones entre el sistema con sus alrededores esta caracterizada por los intercambios de energía y masa, en sus diversas formas, la energía puede intercambiarse por medios mecánicos o no mecánicos, esto es por procesos de calentamiento o enfriamiento

Es aquella superficie real o imaginaria que separa al sistema de sus alrededores se le conoce como frontera. La frontera de un sistema es fija o móvil; la frontera es la superficie de contacto compartida tanto por el sistema como sus alrededores. Se puede llegar a clasificar en tres tipos a)Rígida o móvilb)Permeable e Impermeablec)Real o Imaginaria

¿Cuál es la diferencia entre sistema, limite y

entorno? El sistema es lo que se

desea estudiar considerando las propiedades que tiene.

El entorno es la zona en la que se produce el intercambio de algún atributo con el sistema. A la separación del sistema, real o imaginaria con su entorno se llama límite del sistema.

A grandes rasgos los sistemas cerrados son aquellos que pueden intercambiar energía, aunque no materia, con los alrededores. Los sistemas abiertos son aquellos que pueden intercambiar materia y energía, y finalmente se conocen como sistemas aislados a todo sistema que incapaz de poder intercambiar materia o energía.

Para definir un proceso termodinámico basta establecer la diferencia entre el estado final y el estado inicial de sus propiedades macroscópicas, las cuales se llaman funciones de estado, como

temperatura presión volumen

Termodinámica: conceptos básicos

Estado termodinámico: es la condición en la que se encuentra el sistema. Cada estado termodinámico se define por un conjunto de sus propiedades macroscópicas llamadas funciones de estado.

Las funciones de estado sólo dependen del estado inicial y del estado final y no dependen de cómo ocurrió el proceso. Las funciones de estado son:

T = temperatura P = presión V = volumen E = energía interna H = entalpía S = entropía G = energía libre

Funciones de estado

Las funciones de estado se escriben con mayúsculas. Otras funciones que dependen de cómo se realice el proceso no son termodinámicas y se escriben con minúsculas. Estas son: q = calor w = trabajo

Variables termodinámicas y funciones de estadoVARIABLES DE ESTADO

Son magnitudes

macroscópicas observables

y medibles, como la

presión, volumen,

temperatura, masa o

número de moles.

Se clasifican en

Variables extensivas e

intensivas.

FUNCIONES DE ESTADO

Presentan un valor definido

y único para cada estado

del sistema, sin importar los

pasos intermedios que se

siguen para alcanzarlo; solo

dependen del estado inicial

y final del sistema.

Clasificación variables de estado VARIABLES

EXTENSIVASDependen de lacantidad de materia, y su valor no se puede definir en cualquier punto del sistema. Por Ejemplo masa,-´-volumen y calor

VARIABLES INTENSIVAS

Son independientes dela cantidad de materiay su valor se puededeterminar encualquier punto delsistema. Por ejemplo:densidad,temperatura, presión.

Energía interna y temperatura

Energía interna: es la capacidad de un sistema para realizar un trabajo. Tiene que ver con la estructura del sistema. Se debe a la energía cinética de las moléculas, la energía de vibración de los átomos y a la energía de los enlaces. No se puede conocer su valor absoluto, sólo la diferencia al ocurrir un cambio en el sistema: DE. Es una función de estado.

Temperatura (T): es una función de estado y corresponde a la medida de la energía cinética de las moléculas de un sistema.

Calor y trabajo

Calor (q): es la energía transferida entre el sistema y su ambiente debido a que existe entre ambos una diferencia de temperatura. No es una función de estado.

Calor y trabajo

Trabajo (w): es la energía transferida entre el sistema y su ambiente a través de un proceso equivalente a elevar un peso. No es una función de estado.

Tipos de trabajo: expansión, extensión, elevación de un peso, eléctrico, etc.

Temperatura y Calor Es preciso entender tres aspectos

importantes de la energía térmica y la temperatura:

El calor no es lo mismo que temperatura A medida que una sustancia tiene mas

energía térmica, el movimiento de sus átomos y moléculas es mayor.

La energía térmica total de un objeto es la suma de las energías individuales de todos los átomos, moléculas o iones de dicho objeto.

Equilibrio Térmico

La transferencia de calor siempre se produce del objeto más caliente al mas frío.

La transferencia de calor continua hasta que ambos objetos encuentran la misma temperatura.

La cantidad de calor que pierde el objeto más caliente y la que gana el objeto más río, cuando están en contacto, son numéricamente iguales.

Regla de signosSi un sistema absorbe o cede calor, y asimismo, recibe o desarrolla trabajo, éstos deberán asociarse con un signo,

el cual se elegirá según la siguiente convención:

Corresponde al principio de conservación de la energía.

“La energía del universo no se puede crear ni destruir, sólo son posibles las transformaciones de un tipo de energía en otro”.

U = Q+W

U = Uf - Ui

DU = cambio de U interna de un sistema Uf = U interna final Ui = U interna inicial Q = Trabajo

Q = ∆U-W

U = Q+W

1.Calcular la variación de energía interna para un sistema que ha absorbido 2990 J y realiza un trabajo de 4000 J sobre su entorno.∆U = Q+W∆U = 2.990J +(-4000J)∆U =-1.010 J

El sistema ha disminuido su energía interna en 1.010 J.

Ejercicios

1.Calcular la variación de energía interna para un sistema que ha absorbido 5000 J y realiza un trabajo de 3000 J sobre su entorno.

∆U = Q+W

∆U = 5.000J +(-3000J)

∆U = 2000 J

2.Calcular la variación de energía interna para un sistema que ha liberado 2.590 J y el trabajo es realizado por las fuerzas exteriores sobre el sistema, siendo el valor del trabajo 3.560 J.

∆U = Q+W

∆U = -2590J +(+3560J)

∆U = +978 J