Primera Ley de La TermodináMica

Es una compilación sencilla de la Primera Ley de la Termodinámica

1. PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA Compilación hecha por: ROBERTO GUTIÉRREZ PRETEL Ingeniero Químico, M. Sc. Profesor Titular ALEXANDER GUTIÉRREZ MOSQUERA Químico, M. Sc. Profesor Asistente Universidad Tecnológica del Chocó “Diego Luis Córdoba”

2. Factibilidad de una reacción química ¿ Cuál es la fuerza impulsora de una reacción química ? ¿ Cuánta energía está involucrada en los cambios químicos ? ¿ Cómo está asociada esta energía con la estructura y naturaleza de los reactivos ? ¿ Cómo cuantificaremos esa energía ? ¿ Cómo sabremos si la reacción es exotérmica o endotérmica ? ¿ Cómo se puede predecir si el sistema es estable conociendo el cambio de energía del proceso ?.

3. TERMODINÁMICA Es la rama de la química que estudia los cambios de energía que acompañan a todo proceso y las leyes que rigen dichos cambios, es decir, al identificar y medir los cambios energéticos asociados a una reacción, la termodinámica intenta determinar qué es lo que impulsa la reacción y qué es lo que determina su fin.

4. Energía es la capacidad para efectuar un trabajo . Es una propiedad característica del sistema, que al variar, produce un efecto exterior al sistema tal como elevar o hacer descender un peso y/o la temperatura, más generalmente, producir un cambio en el estado del medio. Energía

5. Clases de Energía Entre otras: Energía térmica es la energía asociada con el movimiento aleatorio de átomos y moléculas. Energía química es la energía guardada dentro de los enlaces de sustancias químicas. Energía nuclear es la energía guardada dentro de la colección de neutrones y protones en el átomo. Energía eléctrica es la energía asociada con el flujo de electrones. Energía potencial es la energía disponible en función de la posición de un objeto y/o de su composición. Energía cinética es la energía disponible en función del movimiento.

6. Unidades de energía La energía, el trabajo y el calor tienen la misma unidad, en el SI joule (J ) y caloría (cal) en el MKS. 1 caloría = 4,184 J

7. SISTEMA: parte del universo objeto de estudio LIMITES : es toda pared, contorno o borde real o ideal que separa el sistema del ambiente. sistema + ambiente = universo . Conceptos termodinámicos Sistema ambiente Limites AMBIENTE (alrededores o entorno): es todo lo que rodea al sistema y generalmente interactúa con él. universo En reacciones químicas… SISTEMA = Sustancias químicas

8. Tipo de Limite Limite rígido: pared que no se mueve o no se desplaza

9. Tipo de Limite Limite no rígido: pared que se desplaza .

10. Tipo de Limite Limite permeable: pared que permite el paso de materia através de ella

11. Tipo de Limite : Limite impermeable: pared que no permite el paso de materia

12. Tipo de Limite : Limite adiabático: pared que no conduce el calor, es decir, no permite el intercambio de calor entre el sistema y el medio ambiente.

13. Tipo de Limite : Limite diatérmico: pared que permite el flujo de calor entre el sistema y el medio ambiente.

14. Tipos de sistemas SISTEMA ABIERTO: Es aquel que intercambia materia y energía con el ambiente.

15. Tipos de sistemas SISTEMA CERRADO: Es aquel que sólo intercambia energía con el medio ambiente. Horno microondas

16. Tipos de sistemas SISTEMA AISLADO: Es aquel que no intercambia materia y energía con el medio que lo rodea. Tienen energía y masa constante debido a que sus paredes son: rígidas , por lo que no permiten el intercambio de energía mecánica adiabáticas , impidiendo el flujo de calor impermeables al intercambio de materia.

17. Tipos de sistemas abierto masa y energía Intercambio : cerrado energía aislado nada SISTEMA ALREDEDORES Vapor de agua Calor Calor

18. Variables o propiedades termodinámicas Son las propiedades macroscópicas, observables y cuantificables de la materia, también se denominan variables de estado tales como el volumen, la presión, la temperatura, la composición, la densidad y pueden ser intensivas o extensivas.

19. Propiedades intensivas Son aquellas que no dependen de la cantidad de materia y tienen un mismo valor en cualquier punto del sistema, ejemplo: la presión, la temperatura, la densidad, el punto de ebullición, punto de fusión, viscosidad, las variables de composición (porcentaje en peso, molaridad, normalidad, partes por millón etc.).

20. Propiedades extensivas Son aquellas que dependen de la cantidad de materia y son aditivas, como la masa y el volumen.

21. Propiedades de un sistema Si cada propiedad intensiva es constante a lo largo de un sistema, este es homogéneo , como las soluciones saturadas o insaturadas.

22. Tipos de mezclas homogéneas

23. Propiedades de un sistema Un sistema no homogéneo se denomina heterogéneo y cada parte homogénea de él se llama fase. Eso quiere decir que sus propiedades intensivas cambian en algunos puntos.

24. Tipos de mezclas heterogéneas

25. Conceptos Termodinámicos 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 m 3

26. Conceptos Termodinámicos Sometemos un sistema a un cambio de estado cuando existe unas condiciones específicas iniciales hasta unas condiciones específicas finales . El cambio de estado está completamente definido cuando se especifican el estado inicial y el final.

27. Conceptos Termodinámicos La trayectoria del cambio se define especificando el estado inicial, la secuencia de estados intermedios que va tomando el sistema y el estado final.

28. Conceptos Termodinámicos La trayectoria del cambio se define especificando el estado inicial, la secuencia de estados intermedios que va tomando el sistema y el estado final.

29. Conceptos Termodinámicos El proceso es el método de operación mediante el cual se realiza el cambio de estado. Calentamiento fusión calen .. evaporación calen..

30. Conceptos Termodinámicos Ciclo: Cuando un sistema sometido a un cambio de estado regresa a su estado inicial se dice que realizó un ciclo. El proceso mediante el cual se realiza el cambio se denomina proceso cíclico.

31. Conceptos Termodinámicos Ecuación de estado: el estado de un sistema se puede definir completamente mediante cuatro propiedades observables o variables de estado; éstas son: la composición, presión, volumen y temperatura. por ejemplo para un mol de gas ideal PV = RT Una variable de estado es aquella que tiene un valor definido cuando se especifica el estado de un sistema. Ejemplo: P = 345 MPa

32. Conceptos Termodinámicos Función de estado es aquella que sólo depende del estado inicial y final del sistema y no de su recorrido o historia previa por ejemplo el volumen , la temperatura, la presión y la energía interna.

33. Conceptos Termodinámicos Función 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.

34. Procesos termodinámicos Son aquellos que afectan a un sistema termodinámico al cambiar de un estado a otro (p. ej. una reacción química). Se reconocen dos tipos extremos e ideales de procesos termodinámicos: Proceso termodinámico irreversible y reversibles

35. Procesos termodinámicos Procesos Irreversibles : Son aquellos que cambia de un estado metaestable a un estado más estable de menor energía y no se pueden revertir. Procesos reversibles: Son aquellos que cambia de un estado inicial estable a un estado final también estable, pasando por una secuencia continua de estados de equilibrio y se pueden revertir

36. Equilibrio termodinámico La termodinámica clásica trata con sistemas en equilibrio. El concepto de equilibrio puede dividirse en tres tipos:   a) Equilibrio mecánico : donde las fuerzas que actúan sobre el sistema, como las que actúan en su interior, están equilibradas, no existe aceleración ni turbulencia en el sistema.

37. Equilibrio termodinámico b) Equilibrio material: en el cual no existen reacciones químicas globales en el sistema, ni hay transferencia neta de masa de una parte del sistema a otra, las concentraciones de las diversas especies químicas del sistema son constantes con el tiempo. Reacción: H 2 + I 2 = 2 HI

38. Equilibrio termodinámico c) Equilibrio térmico: no puede haber variación en las propiedades del sistema o medio ambiente cuando están separados por una pared diatérmica. Un sistema está en equilibrio termodinámico cuando no se observa ningún cambio en sus propiedades termodinámicas a lo largo del tiempo, en donde se presentan los tres tipos de equilibrio.

39. Ley cero de la termodinámica Los sistemas en equilibrio térmico tienen entre sí una misma propiedad que llamaremos temperatura. Por definición dos sistemas en equilibrio térmico tienen la misma temperatura. Dos sistemas en equilibrio térmico con un tercero lo estarán entre sí. T A = T B = T C T A T A T B T C T C

40. Energía interna (U) Es la energía que tienen los cuerpos. Está asociada a los átomos y moléculas que lo forman. Las contribuciones a la energía interna son: Energía de los átomos (electrones y núcleo) Energía química (de los enlaces atómicos que forman las moléculas) Energía cinética (microscópica) de los átomos y moléculas Energía potencial (microscópica) de interacción entre las moléculas La energia interna es la suma de las diferentes contribuciones de las energías potencial y cinética, que incluyen la traslacional, rotacional, vibracional, electrónica, nuclear, potencial y las contribuciones de la masa.

41. Consideremos un sistema en un estado termodinámico inicial I (determinado por sus variables U i , T i , P i y V i ), que es llevado a un estado termodinámico final F (determinado por sus variables U f , T f , P f y V f ), a través de uno o más procesos termodinámicos, tal que su energía interna U puede variar: Variación de la energía interna

42. Trabajo El trabajo es una interacción entre el sistema y su medio que tiene lugar en los bordes del sistema. Tiene que haber movimiento Trabajo es la energía 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 energía total. Esta energía la “gana el otro cuerpo” El trabajo está dado por el producto de un factor de intensidad X (tal como fuerza) y un factor de capacidad Y (tal como distancia):   dw = Xdy

43. Cuerpo que “empuja”, “jala” o “levanta” (que realiza Trabajo) Cuerpo que recibe el Trabajo Nosotros cuando levantamos un cuerpo del piso a la mesa El cuerpo que levantamos. El Trabajo que recibe aumenta su energía potencial Una bola de billar en movimiento cuando choca con otra bola en reposo. La bola en reposo se mueve después del choque. La otra bola disminuye su velocidad. Gases de combustión (alta presión y temperatura) en el pistón de un coche El pistón del coche, se mueve y acciona al rotor del automóvil Trabajo

44. ___________________________________________________ Proceso dw = Xdy Comentarios ___________________________________________________ Trabajo mecánico dw = Fedl Fe = fuerza externa l = desplazamiento Trabajo tensión dw = kldl kl = tensión l = desplazamiento Trabajo superficial dw = g dA g = tensión superficial A = área Trabajo gravitacional dw = mgdl m = masa g = constante gravitacional l = desplazamiento ______________________________________________________ Tipos de Trabajo

45. ___________________________________________________ Proceso dw = Xdy Comentarios ___________________________________________________ Trabajo expansión dw = - PdV P = presión externa V = volumen Trabajo de celda dw = ∆ VdQ ∆V = diferencial de potencial eléctrico Electroquímica dw = ∆ VIdt Q = cantidad de electricidad I = corriente eléctrica t = tiempo ___________________________________________________ Tipos de Trabajo

46. Sistema inicial para el estudio trabajo Cilindro Embolo (pistón) móvil Moléculas del gas Gas

47. Trabajo en los cambios de volumen

48. Trabajo y diagrama P-V Trabajo en los cambios de volumen El caso más simple es un proceso termodinámico que implica cambios en el volumen a presión externa constante . Aplica ndo el concepto de trabajo mecánico : W = F x Como P = F/A  F = P A: W = P A x Como A x = V: W = P V = P ( V f – V i ) P = F/A F = P A Sólo se realiza trabajo cuando hay cambio de volumen

49. Trabajo y diagrama P-V Convención de signos para W SISTEMA + w - w Compresión ( V f < V i ) (los alrededores hacen trabajo sobre el sistema) V < 0 entonces W < 0 Para que W > se antepone Expansión ( V f >V i ) (el sistema hace trabajo sobre los alrededores) V > 0 entonces W > Para que W < se antepone W = - P V = - P ( V f – V i )

50. Calor ( q ) Se define como la energía 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 estará dirigido desde el punto de mayor temperatura al de menor temperatura . Conducción Convección Radiación

51. Temperatura Temperatura es una medida de energía térmica (calor) . Temperatura = Energía térmica 90 C 40 C mayor energía térmica menor energía térmica

52. Convención de signos para c alor Ambiente Ambiente Ambiente Exotérmico (-) Endotérmico (+)

53. Energía interna (U) Es la energía que tienen los cuerpos. Está asociada a los átomos y moléculas que lo forman. Trabajo ( w ) Es la energía que le transfiere un cuerpo a otro por la acción de una fuerza. Calor ( q ) Es la energía que se transfiere entre un sistema y sus alrededores durante un cambio en el estado del sistema

54. Función de energía interna Primera ley de la termodinámica Es el principio de conservación de la energía aplicado a un sistema: la energía no puede crearse ni destruirse, sólo transformarse de una forma a otra . D E universo = D E sistema + D E ambiente = 0

55. Función de energía interna Primera ley de la termodinámica q = calor agregado al sistema w = trabajo realizado por los alrededores sobre el sistema D U = incremento en la energía interna D U = q + w Ambiente - q + q + w - w Sistema

56. Procesos adiabáticos Un proceso adiabático es aquel en el que no hay intercambio de energía térmica q entre un sistema y sus alrededores . De la primera ley : D U= q + w Si q = 0 ( proceso adiabático ) entonces , D U= 0 + w Por lo tanto , w = D U

57. Procesos isobárico Un proceso isobárico es aquel en el que la presión permanece constant e. Si P = constante entonces : w = -P D V Por lo tanto , D U = w + q

58. Procesos isocóricos Un proceso isocórico es aquel en el que el volumen del sistema permanece constante . De la primera ley : D U = q + w Si W = 0 ( proceso isocórico ) entonces D U = + q Por lo tanto , D U = q

59. Procesos isotérmicos Un proceso isotérmico es aquel en el que la temperatura del sistema permanece constante . De la primera ley : D U = q + w Si D U = 0 ( proceso isotérmico ) entonces = q + w Por lo tanto , q = - w

60. Resumen de ecuaciones Primera Ley de la Termodinámica W = - D U Q = D U Q = W Proceso isocórico Proceso adiabático Proceso isotérmico Proceso isobárico

61. Bibliografia consultada ATKINS, P. W. Fisicoquímica . 3ed. New York. Addison-Wesley. 1991. pp. 66-85.  CASTELLAN , Gilbert N. Fisicoquímica. 2ed. México. Addison-Wesley. 1989. pp. 118-151.  CROCKFORD, H. and KNIGHT, Samuel. Fundamentals of physical chemistry. 2ed. New York. John Wiley & sons. 1964. pp. 77-88. LEVINE, Iran . Fisicoquímica. 3ed. Madrid. Mcgraw -Hill. 1991. pp. 41-81; 243-257. MARON, Samuel y PRUTTON, Carl. Fundamentos de fisicoquímica. México. Limusa . 1977. pp. 54-55, 109-141 MARK, Melvin. Termodinámica. Marimar . pp. 178 METZ, Clyde R. Fisicoquímica. Segunda edición. Bogotá. McGraw‑Hil , 1991. pp. 51-82.

62. Bibliografia consultada MOORE, Walter J. Fisicoquímica básica. México, Prentice-Hall,1986. pp. 94-120.   PERRY H., Robert y CHILTON H., Cecil. (Editores). Biblioteca del ingeniero químico. 5ed. 2ed. en español. México, McGraw‑Hill , 983. V II, pp. 4-47 :4-81.   RINCÓN P., Fabio y ESCOBAR M. Jaime. Fundamentos de fisicoquímica. Medellín. Universidad de Antioquia, 1989. pp. 88-167.   SMITH, J.M. and VAN NESS, H. C. Introduction to Chemical engineering Thermodynami c. 2ed. McGraw-Hill, New York 1959. pp. 25-84.

63. 63 MUCHAS GRACIAS