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La termodinámica es la rama de la física que describe los estados de equilibrio termodinámico a nivel macroscópico. Constituye una teoría fenomenológica que estudia sistemas reales a partir de razonamientos deductivos, sin modelizar y siguiendo un método experimental.1​ Los estados de equilibrio se estudian y definen por medio de magnitudes extensivas tales como la energía interna, la entropía, el volumen o la composición molar del sistema,2​ o por medio de magnitudes no-extensivas derivadas de las anteriores como la temperatura, presión y el potencial químico; otras magnitudes, tales como la imanación, la fuerza electromotriz y las asociadas con la mecánica de los medios continuos en general también se pueden tratar por medio de la termodinámica.3​

La termodinámica trata los procesos de transferencia de calor, que es una de las formas de energía, y cómo se puede realizar un trabajo con ella. En esta área se describe cómo la materia en cualquiera de sus fases (sólido, líquido, gaseoso) va transformándose. Desde un punto de vista macroscópico de la materia, se estudia cómo esta reacciona a cambios en su volumen, presión y temperatura, entre otras magnitudes. La termodinámica se basa en cuatro principios fundamentales: el equilibrio termodinámico (o principio cero), el principio de conservación de la energía (primer principio), el aumento de la entropía con el tiempo (segundo principio) y la imposibilidad del cero absoluto (tercer principio).4​

Una consecuencia de la termodinámica es lo que hoy se conoce como física estadística. Esta rama estudia, al igual que la termodinámica, los procesos de transferencia de calor, pero, al contrario a la anterior, desde un punto de vista molecular. La materia, como se conoce, está compuesta por moléculas, pero intentar deducir y extrapolar el comportamiento de una sola de sus moléculas al conjunto de todas ellas nos llevaría a medidas erróneas. Por eso se debe tratar como un conjunto de elementos aleatorios y utilizar el lenguaje estadístico y consideraciones mecánicas para describir el comportamiento macroscópico resultante de este conjunto molecular microscópico.5​

La termodinámica ofrece un aparato formal aplicable únicamente a estados de equilibrio,6​ definidos como aquel estado hacia «el que todo sistema tiende a evolucionar y caracterizado porque en el mismo todas las propiedades del sistema quedan determinadas por factores intrínsecos y no por influencias externas previamente aplicadas».2​ Tales estados terminales de equilibrio son, por definición, independientes del tiempo, y todo el aparato formal de la termodinámica —todas las leyes y variables termodinámicas— se definen de tal modo que se podría decir que un sistema está en equilibrio si sus propiedades se pueden describir consistentemente empleando la teoría termodinámica.2​ Los estados de equilibrio son necesariamente coherentes con los contornos del sistema y las restricciones a las que esté sometido. Por medio de los cambios producidos en estas

1. Colegio Andrés Bello Chiguayante Jorge Pacheco R. Profesor de Biología y Química UNIDAD I: TERMOQUÍMICA Capítulo 1: FUNDAMENTOS DE LA TERMOQUÍMICA

2. TERMOQUÍMICA APRENDIZAJES ESPERADOS : Relacionan reacciones químicas con intercambios de energía. Reconocen el primer principio de la termodinámica como un caso particular del principio de la conservación de la energía. Aplican el concepto de la entalpía a situaciones de la vida cotidiana.

3. PREGUNTAS PREVIAS ¿Qué es la Energía? Del griego energeia : actividad, operación; energos : fuerza de acción o fuerza trabajando. La energía es una magnitud física que asociamos con la capacidad que tienen los cuerpos para producir trabajo mecánico, emitir luz, generar calor, etc.

4. PREGUNTAS PREVIAS ¿Qué tipos de energía conoces? Energía Potencial. Energía Cinética. Energía Química. Energía Eléctrica. Energía Térmica. Energía Magnética. Energía Nuclear Energía Radiante.

5. PREGUNTAS PREVIAS ¿Calor y Temperatura, son lo mismo? Calor corresponde a la transferencia de energía entre cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas. Temperatura es una medida de la energía cinética de las moléculas de un sistema.

6. FUNDAMENTOS DE LA TERMODINÁMICA

7. TERMOQUÍMICA Corresponde al área de la química que estudia las transferencias de calor asociadas a las reacciones químicas .

8. TERMOQUÍMICA

9. SISTEMA El sistema es lo que se desea estudiar, mientras que el entorno es la zona en la que se produce algún intercambio con el sistema. Aquella separación real entre el sistema y el entorno se denominan límites o paredes del sistema, mientras que el conjunto de sistema y entorno se denomina universo. UNIVERSO SISTEMA + AMBIENTE = UNIVERSO

10. SISTEMA ABIERTO Sistema que intercambian materia y energía con el entorno.

11. SISTEMA CERRADO Sistema que intercambian energía pero no materia con el entorno.

12. SISTEMA AISLADO Sistema en donde no existe intercambio de energía y materia con el entorno.

13. CLASIFICACIÓN ¿ Qué tipo de sistema es lo que representa la siguiente imagen? SISTEMA CERRADO

14. CLASIFICACIÓN ¿ Qué tipo de sistema es lo que representa la siguiente imagen? SISTEMA ABIERTO

15. CLASIFICACIÓN ¿ Qué tipo de sistema es lo que representa la siguiente imagen? SISTEMA ABIERTO

16. CLASIFICACIÓN ¿ Qué tipo de sistema es lo que representa la siguiente imagen? SISTEMA AISLADO UNIVERSO

17. CLASIFICACIÓN ¿ Qué tipo de sistema es lo que representa la siguiente imagen? SISTEMA ABIERTO

18. Las variables termodinámicas se clasifican en dos grandes grupos: A) Variable Extensiva : Son aquellas variables que dependen de la cantidad de materia, y su valor no se puede definir en cualquier punto del sistema. B) Variable Intensiva : Son aquellas variables que no dependen de la cantidad de materia y su valor se puede determinar en cualquier punto del sistema. Ejemplo : Masa y Volumen. Ejemplo : Densidad y Temperatura. VARIABLES TERMODINÁMICAS

19. VARIABLES TERMODINÁMICAS Para describir el estado de un sistema termodinámico se emplea una serie de magnitudes macroscópicas observables y medibles llamada variables de estado , como: presión , volumen , temperatura , masa o número de mol .

20. Categoría Variables Símbolo Mecánica Presión y Volumen P y V Térmica Temperatura T Material Composición química Xn (Fracción Molar) VARIABLES TERMODINÁMICAS

21. VARIABLES TERMODINÁMICAS

22. FUNCIONES DE ESTADO Entre las variables termodinámicas existen magnitudes llamadas funciones de estado. Estas tienen un valor definido y único que depende solo del estado inicial y final del sistema. ∆ X = X final – X inicial

23. A) Isotérmico : Proceso que se lleva a cabo a temperatura constante . B) Isobárico : Proceso que se lleva a cabo a presión constante. TIPOS DE PROCESOS C) Adiabático : Proceso en el cual no hay transferencia de calor pero sí intercambio de trabajo entre el sistema y el entorno.

24. PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA

25. ENERGÍA INTERNA (U) Corresponde a la totalidad de la energía cinética y potencial de las partículas de un sistema. Es una función de estado. Es una variable extensiva.

26. CALOR (Q) Se denomina calor (Q) a la transferencia de energía que se produce de un sistema a otro como consecuencia de una diferencia de temperatura. El calor fluye desde el cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura hasta que ambos se igualan (equilibrio térmico). No es función de estado.

27. CALOR (Q)

28. CALOR (Q) El sistema recibe calor El sistema pierde calor

29. TRABAJO (W) Se define como le energía que se transfiere entre un sistema y su entorno cuando entre ambos se ejerce una fuerza. Matemáticamente se define como el producto de la fuerza (F) aplicada sobre un cuerpo y la distancia (d) que este recorre. W = F x d No es función de estado.

30. TRABAJO (W) El sistema realiza trabajo sobre el entorno El entorno realiza trabajo sobre el sistema W <0 W >0

31. SISTEMA Q > 0 W > 0 W < 0 Q < 0 ENERGÍA INTERNA El trabajo se realiza contra el ambiente El trabajo se realiza sobre el sistema El sistema libera calor El sistema abosrbe calor

32. PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICA Principio de la conservación de la energía, el cual establece que: “la energía en el universo permanece constante”. Esto quiere decir que la energía solo se transfiere entre el sistema y su entorno. ∆U = U sistema + U ambiente

33. PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICA El primer principio de la termodinámica se puede enunciar como: la variación de la energía interna de un sistema es igual al calor absorbido más el trabajo externo realizado por el sistema. ∆ U = Q + W

34. EJEMPLO Determina la variación de energía interna para un sistema que ha absorbido 2990 joule y realiza un trabajo de 4000 joule sobre su entorno. Según convenio de signos: Q= 2990 J y W= - 4000 J ∆U = Q + W ∆U = 2990 J + (- 4000 J) ∆U = - 1010 J Respuesta = El sistema ha disminuido su energía interna en 1010 J.

35. EJERCICIO El trabajo realizado cuando se comprime un gas en un cilindro, es de 462 J. durante este proceso hay una transferencia de calor de 128 J del gas hacia los alrededores. Determina el cambio de energía para el proceso Según convenio de signos: Q= - 128 J y W= 462 J ∆U = Q + W ∆U = - 128 J + 462 J ∆U = 334 J Respuesta = Como resultado de la compresión y transferencia de calor, la energía interna del gas aumenta

36. ACTIVIDAD: RESPONDE ¿Qué es un sistema termodinámico? Menciona dos ejemplos para cada tipo de sistemas, es decir, abierto, cerrado y aislado. ¿Cuáles son las principales características de los sistemas abierto, cerrado y aislado? ¿Qué diferencia existen entre las variables intensivas y extensivas? ¿Cuáles de los siguientes conceptos: presión, temperatura, volumen, trabajo, energía y calor, son funciones de estado? justifica tu respuesta. ¿Qué es la energía? Menciona dos ejemplos de aplicación cotidiana, es decir, ejemplos de uso de energía. ¿Qué es una función de estado?

37. EJERCICIOS Un gas se expande y realiza un trabajo sobre los alrededores igual a 325 J. Al mismo tiempo, absorbe 127 J de calor de su alrededor. Determina el cambio de energía del gas. El trabajo realizado para comprimir un gas es de 74J. Como resultado, libera 26 J de calor hacia los alrededores. Determina el cambio de energía del gas.

38. Muchas Gracias Colegio Andrés Bello Chiguayante