UNIVERSIDAD AUTONOMA
GABRIEL RENE MORENO
FACULTAD INTEGRAL ICHILO
CARRERA INGENIERIA PETROLERA
MATERIA: FISICOQUIMICA
SIGLA: QMC-206
DOCENTE: ING. PATRICIA A. RAIMONDI M.
UNIDAD 2 LEYES DE LA TERMODINAMICA
TEMA 1 FUNDAMENTOS DE TERMODINAMICA
INDICE
Concepto Termodinmica
Divisin de la Termodinmica
Variables termodinmicas
Sistema, entorno, Tipos de sistema
Propiedades extensivas y extensivas
Calor, Trabajo y Energa interna
TERMODINAMICA
La termodinmica puede definirse como la ciencia macroscpica que es parte de la Fsica que estudia los procesos en los que se transfiere energa como calor y como trabajo.
La termodinmica estudia la Energa y la Entropa
Qumica Q. Fsica
Q. Inorgnica
Q. Orgnica
Q. Analtica
Termodinmica
Cintica Q.
Q. Cuntica
Q. Fsica
Electroqumica
DIVISION DE LA TERMODINAMICA
La termodinmica se subdivide en 2 ramas muy importantes
TERMODINAMICA APLICADA.- Es la parte de la termodinmica que se ocupa de la
aplicacin de las leyes y principios fundamentales de la termodinmica en el aprovechamiento energtico de los procesos fsicos.
TERMODINAMICA QUIMICA.- Es la parte de la termodinmica que se encarga del
estudio, anlisis y evaluacin de la energa de los procesos en una reaccin qumica (estudia las reacciones qumicas)
Variables Termodinmicas
Las variables que tienen relacin con el estado interno de un sistema, se llaman variables termodinmicas o coordenadas termodinmicas, y entre ellas las ms importantes en el estudio de la termodinmica son:
la masa
el volumen
la densidad
la presin
la temperatura
Propiedades Extensivas Cambian las propiedades cuando
cambia el tamao de la muestra, ejemplo:
volumen de un lquido, la masa de un slido, la presin de un gas.
Propiedades Intensivas o especificas No cambian cuando cambia el
tamao de la muestra, ejemplo: densidad, temperatura
de ebullicin, temperatura de fusin, tensin superficial
PROPIEDADES DE LA MATERIA
SISTEMA TERMODINAMICO
Sistema: conjunto de materia, que est limitado por una superficie, que le pone el observador, real o imaginaria.
Entorno o ambiente: es todo aquello que no est en el sistema pero que puede influir en l.
Por ejemplo, consideremos una taza con agua, que est siendo calentada por un mechero. Consideremos un sistema formado por la taza y el agua, entonces el medio est formado por el mechero, el aire, etc.
CONCEPTOS BSICOS. SISTEMAS, VARIABLES Y PROCESOS
Un sistema abierto: se da cuando existe un intercambio de
masa y de energa con los alrededores;
Un sistema cerrado: se da cuando no existe un
intercambio de masa con el medio circundante, slo se
puede dar un intercambio de energa;
Un sistema aislado: se da cuando no existe el intercambio
ni de masa y energa con los alrededores;
Tipos de sistemas
Materia Energa
Abierto
Materia
Cerrado
Materia Energa
Aislado
Puede intercambiar
Tipos de sistemas
Materia Energa
Abierto
Materia
Cerrado
Materia Energa
Aislado
Puede intercambiar
El calor esta definido como la forma de energa que se transfiere entre dos sistemas (o entre un sistemas y sus alrededores) debido a una diferencia de temperatura.
CALOR
El proceso es adiabtico cuando no hay transferencia de calor y este proceso se da cuando es aislado o el sistema como los alrededores estn a la misma temperatura.
Unidades de calor
El calor Q tiene unidades de energa: Unidades: cal, Joule J y KJ en el SI y BTU sistema Ingles La calora (Cal) fue definida como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 g de agua de 14.5C a 15.5C.
La unidad de calor en el sistema ingles es la unidad trmica britnica (Btu), definida como el calor necesario para elevar la temperatura de 1 lb de agua de 63F a 64F.
Calora (cal) 1 cal = 4,184 J.
. uff, uff
W=F x
Trabajo
realizado por el
hombre
Fuerza aplicada
Distancia
que se
desplaza el
objeto
Fuer
za
distancia X1 X2
2
1
X
XW Fdx
Trabajo=rea
[N.m=J]
EL TRABAJO NO ES UNA FUNCIN
DE ESTADO
Se realiza un trabajo cuando se realiza un movimiento
en contra de una fuerza que se opone a ese movimiento
Es imposible realizar un trabajo sin consumir una energa
TRABAJO
TRABAJO
El trabajo W es una interaccin de
energa que ocurre entre un
sistema y sus alrededores
q = W/ m
q = cantidad de calor
W = trabajo realizado durante un
proceso entre dos estados 1 y 2
m = masa
Unidades: kJ y J
El trabajo realizado por unidad de
tiempo se llama potencia
Unidad kJ/s , KW
TIPOS DE TRABAJO
Trabajo Mecnico que realiza una fuerza constante F sobre un cuerpo que se desplaza una distancia s en la direccin de la fuerza W = Fs F = fuerza s= distancia
Trabajo de Flecha Momento de torsin el trabajo hecho en n revoluciones T = Fr s= (2 r).n Wflecha= 2 rnT
TIPOS DE TRABAJO
Trabajo de Resorte Es la fuerza aplicada a un resorte la longitud de este cambia Wresorte= K
-
K = constante del resorte KN/m x1 y x2 = desplazamientos inicial y final del resorte
Formas no mecnicas del trabajo Trabajo elctrico Trabajo magntico Trabajo no polarizacin elctrica
TRABAJO ELECTRICO En un campo elctrico los electrones de una alambre se mueven por el efecto de fuerzas electromotrices por tanto realizan trabajo We = VN We = trabajo elctrico N = carga elctrica Coulombs V = Diferencia de potencial
Tasa de trabajo elctrico o potencia electrica
es el numero de carga electricas que fluyen por unidad de tiempo es decir la corriente.
= V.I = I2.R = V2/R = V.I.t
I = corriente Amperio A V= diferencia de potencial voltios V R= Resistencia Ohmios
Conversin:
TRABAJO DE FRONTERA MOVIL
Una forma de trabajo mecnico es aquella que esta relacionada con la expansin o comprensin de un gas en un dispositivo cilindro embolo El trabajo de expansin y comprensin suele llamarse trabajo de frontera mvil o simplemente trabajo de frontera El trabajo de frontera mvil se estudia por la termodinmica en procesos cuasi estticos cuasiequilibrio pues a altas velocidades es difcil determinar las trayectorias que recorren los procesos.
Trabajo de Frontera mvil Considerando un sistema de cilindro embolo de presin P, volumen V y un embolo de
rea A, el trabajo de frontera viene expresado: dw = Fds Donde ds es el desplazamiento diferencial de embolo. dw es la diferencial del trabajo. Esta expresin podemos reordenarla as dw = Pdv Donde dv es el cambio diferencial de volumen Observe que cuando dividimos F / A = P y multiplicamos ds (A) = dv en realidad
aplicamos el idntico multiplicativo y no afectamos la ecuacin. Dependiendo si se trata de expansin o de compresin, dv se considerara positivo o
negativo respectivamente. Aplicando la integracin definida en los dos estados inicial y final podemos encontrar
la suma de trabajos diferenciales por incremento de volumen diferencial lo que nos dar como resultado un trabajo total.
Donde Wb es el trabajo total de frontera mvil.
Trabajo de Frontera mvil El trabajo efectuado en la expansin desde el
estado inicial hasta el estado final es el rea bajo la curva en un diagrama PV.
Es importante recordar que el trabajo es una funcin trayectoria, lo que significa que el trabajo depender del camino que tome un proceso para ir del estado 1 al estado 2. Es por eso que solo los analizamos en procesos de cuasi estticos.
Por convencin definiremos que un proceso de expansin nos dar como resultado un trabajo positivo o entregado por el sistema. Por otro lado, un proceso de compresin supone que se est realizando un trabajo sobre el sistema y este se considera negativo para un balance de energa.
CONVENCCION DE SIGNOS TRABAJO Y
CALOR La convencin de signos utilizada para una cantidad de calor Q es opuesta a la que se utiliza para el trabajo W . Trabajo efectuado por el sistema sobre los alrededores es negativo (-) Trabajo efectuado sobre el sistema por los alrededores es positivo (+) Calor de los alrededores absorbido o aadido por el sistema (proceso endotrmico) es positivo (+) Calor del sistema absorbido por los alrededores o extrado de un sistema (proceso exotrmico) es negativo (-)
Trabajo a volumen constante
Un proceso a volumen constante se llama o isocrico, en tal proceso el trabajo es cero y entonces: U = Q W = 0
Pf
V
P
Pi
Para incrementar la presin deber haber flujo de calor, y por lo tanto, incremento en la energa interna (temperatura)
El flujo de calor en este caso es:
dQ = CV dT
El subndice indica que es capacidad calorfica a volumen constante.
V
Trabajo a presin constante
Un proceso a presin constante se denomina isobrico, el trabajo realizado es:
Para mantener la presin constante deber haber flujo de calor, y por lo tanto, incremento en la energa interna (temperatura)
El flujo de calor en este caso es:
dQ = Cp dT
El subndice indica que es capacidad calorfica a presin constante.
P
Vi Vf
P
if
V
V
V
VVVPdVPPdVW
f
i
f
i
Un proceso a temperatura constante se llama isotrmico. Si consideramos un gas ideal es trabajo es:
Vf
f
Pi
Pf
PV = cte.
Vi
P
i Isoterma
Trabajo a temperatura constante
mRTo = C o P =
Wb =
=
En la ec. Es posible reemplazar
por
o
mRTo. As mismo
se reemplazara por
para
este caso ya que
=
Wb = nRT
Wb = nRT
P= nRT/V
Proceso adiabtico
En un proceso adiabtico no hay flujo (sin tranferencia) de calor entre el sistema y sus alrededores.
El trabajo efectuado es igual al negativo del cambio en la energa interna.
Se puede demostrar que la curva que describe esta transformacin es .00 cteVppVadiabticas
Donde = (Cp/CV) = 1.67, para gas ideal
es decir, si Q = 0. En tal caso:
U = W
Para la expansin libre adiabtica
Q = 0 y W = 0, U = 0
Uideal = U(T)
ctePT
RctePTT
)1(
)1(1
.
/..
ctePT
cteTVVTVT
)1(
112
111
.
. 2
Proceso politrpico
Durante procesos reales de expansin y compresin de gases la presin y el volumen suelen relacionarse mediante
donde n y C son constantes
un proceso de esta clase se llama proceso poli trpico
Wb =
n 1 (kJ)
En caso especial de n = 1 el trabajo frontera se convierte en
Wb=
=
Para un gas ideal este resultado es equivalente al proceso trmico
Energias macroscpicas y
microscpicas. En el anlisis termodinmico, con
frecuencia es til considerar dos grupos para las diversas formas de energa que conforman la energa total de un sistema: macroscpicas y microscpicas.
Las formas macroscpicas de energa son las que posee un sistema como un todo en relacin con cierto marco de referencia exterior, como las energas cintica y potencial (Fig. 2-3)
Energia macroscpica
La energa macroscpica de un sistema se relaciona con el movimiento y la influencia de algunos factores externos como la gravedad, el magnetismo, la electricidad y la tensin superficial. La energa que posee un sistema como resultado de su movimiento en relacin con cierto marco de referencia se llama energa cintica (EC). Cuando todas las partes de un sistema se mueven con la misma velocidad, la energa cintica se expresa como
Energia macroscopica
donde V denota la velocidad del sistema con respecto a algn marco de referencia fijo. La energa cintica de un cuerpo slido que gira se determina mediante 12Iv2, donde I es el momento de inercia del cuerpo y v es la velocidad angular.
La energa que posee un sistema como resultado de su incremento de alturaen un campo gravitacional se llama energa potencial (EP) y se expresa como
Energa macroscpica
donde g es la aceleracin gravitacional y z es la altura del centro de gravedad de un sistema con respecto a algn nivel de referencia elegido arbitrariamente.
Los efectos magntico, elctrico y de tensin superficial son significativos slo en casos especiales y en general se ignoran. En ausencia de esta clase
de efectos, la energa total de un sistema consta slo de las energas cintica, potencial e interna, y se expresa como
Energas microscpicas
Las formas microscpicas de energa son las que se relacionan con la estructura molecular de un sistema y el grado de la actividad molecular, y son independientes de los marcos de referencia externos.
La suma de todas las formas microscpicas de energa se denomina energa interna de un sistema y se denota mediante U
ENERGIA INTERNA
En 1807 Thomas Young acu el trmino
energa y en 1852 lord Kelvin propuso su uso en termodinmica.
El concepto energa interna y su smbolo U aparecieron por primera vez en los trabajos de Rudolph Clausius y William Rankine, en la segunda mitad del siglo XIX, y con el tiempo sustituy a los trminos trabajo interior, trabajo interno y energa intrnseca empleados habitualmente en esa poca.
Se denomina energa interna U del sistema a
la suma de las energas de todas sus
partculas.
En un gas ideal las molculas solamente
tienen energa cintica, los choques entre las
molculas se suponen perfectamente elsticos,
la energa interna solamente depende de la
temperatura. UNIDADES: KJ, J, cal, BTU
ENERGIA INTERNA
ENERGIA INTERNA
La energa interna se define como la suma de todas las formas microscpicas de energa de un sistema. Se relaciona con la estructura molecular y el grado de actividad molecular y se puede considerar como la suma de las energas cintica y potencial de las molculas.
Para comprender mejor la energa interna, los sistemas se examinan a nivel molecular. Las molculas de gas se mueven en el espacio con cierta velocidad; por lo tanto, poseen algo de energa cintica.
Esto se conoce como energa de traslacin. Los tomos de las molculas poliatmicas rotan respecto a un eje y la energa relacionada con esta rotacin es la energa cintica de rotacin. Los tomos de este tipo de molculas podran vibrar respecto a su centro de masa comn, entonces la energa de este movimiento de vaivn sera la energa cintica vibratoria.
Para los gases, la energa cintica se debe sobre todo a los movimientos de traslacin y rotacin, en los que el movimiento vibratorio se vuelve significativo a altas temperaturas. Los electrones en un tomo giran en torno al ncleo y, por lo tanto, poseen energa cintica rotacional
Energia Interna
Los electrones de rbitas exteriores tienen energas cinticas ms grandes. Como estas partculas tambin giran en torno a sus ejes, la energa relacionada con este movimiento es la energa de giro (espn). Las otras partculas que estn ubica-
das en el ncleo de un tomo tambin poseen energa de giro. La porcin de la energa interna de un sistema relacionada con la energa cintica de las molculas se llama energa sensible (o energa cintica de las molculas) (Fig. 2-5). La velocidad promedio y el grado de actividad de las molculas son proporcionales a la temperatura del gas, por lo que a temperaturas ms elevadas las molculas poseen energas cinticas superiores y, como consecuencia, el sistema tiene una energa interna ms alta.
Energia Interna La energa interna tambin se relaciona con diversas fuerzas de enlace entre las molculas de una sustancia, entre los tomos dentro de una molcula y entre las partculas al interior de un tomo y su ncleo. Las fuerzas que unen a las molculas entre s son, como se esperara, ms intensas en los
slidos y ms dbiles en los gases. Si se agrega suficiente energa a las molculas de un slido o de un lquido, stas vencen las
fuerzas moleculares y se separan, de modo que la sustancia se convierte en un gas; ste es un proceso de cambio de fase.
Debido a la energa agregada, un sistema en la fase gaseosa se encuentra en un nivel ms alto de energa interna que el de la fase slida o lquida. La energa interna relacionada con la fase de un sistema se llama energa latente. El proceso de cambio de fase puede ocurrir sin que se modifique la composicin qumica de un sistema. La mayor parte de los problemas reales caen dentro de esta categora, por lo que no es necesario prestar atencin a las fuerzas de enlace de los tomos en una molcula.
Energa interna
Un tomo en su ncleo tiene neutrones y protones con carga positiva enlazados entre s mediante intensas fuerzas, adems de electrones cargados negativamente orbitando a su alrededor. La energa interna relacionada con los enlaces atmicos en una molcula se llama energa qumica
Energa interna
Las formas de energa anteriormente explicadas, que constituyen la energa
total de un sistema, pueden estar contenidas o almacenadas en ste, as que es
posible considerarlas como formas estticas de energa.
Las formas de energa no almacenadas en un sistema se consideran formas dinmicas de energa, o interacciones de energa, posibles de reconocer cuando cruzan las fronteras del sistema y representan la energa que ste gana o pierde durante un proceso. Las nicas dos formas de interaccin de energa relacionadas con un sistema cerrado son la transferencia de calor y el trabajo.
Una interaccin de energa corresponde a una transferencia de calor si su fuerza impulsora es una diferencia de temperatura, de lo contrario es trabajo, como se explica en la siguiente seccin.
Un volumen de control tambin intercambia energa va transferencia de masa,
puesto que cada vez que sta se transfiere hacia un sistema o afuera del mismo
el contenido de energa de la masa tambin se transfiere.
TIPOS DE ENERGIA Tipos de Energa que tiene un sistema: Energa Cintica Energa Potencial En la termodinmica estn: Energa calrica o trmica Potencial termodinmico Energa interna: trasnacional, vibracional, rotacional Energa calrica o trmica: es la que se trasmite entre dos cuerpos que se encuentran a diferente temperatura. El calor es la vibracin de molculas de un cuerpo. La vibracin es movimiento. Unos de los fines para que se utiliza la energa calrica es para causar movimiento de diversas mquinas. Potencial termodinmico, la energa
relacionada con las variables de estado
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