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Primera Ley de La TermodináMica
 

Primera Ley de La TermodináMica

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Es una compilación sencilla de la Primera Ley de la Termodinámica

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    Primera Ley de La TermodináMica Primera Ley de La TermodináMica Presentation Transcript

    • 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”
    • Factibilidad de una reacción química
      ¿Cuáles la fuerzaimpulsora de unareacciónquímica?
      ¿Cuántaenergíaestáinvolucrada en los cambiosquímicos?
      ¿Cómoestáasociadaestaenergía con la estructura y naturaleza de los reactivos?
      ¿Cómocuantificaremosesaenergía?
      ¿Cómosabremossi la reacciónesexotérmica o endotérmica?
      ¿Cómo se puedepredecirsi el sistemaesestableconociendo el cambio de energía del proceso?.
    • 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.
    • Energía
      Energíaes la capacidadparaefectuar 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.
    • Clases de Energía
      Entre otras:
      • Energía térmicaes la energía asociada con el movimiento aleatorio de átomos y moléculas.
      • Energía químicaes la energía guardada dentro de los enlaces de sustancias químicas.
      • Energía nucleares 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 potenciales la energía disponible en función de la posición de un objeto y/o de su composición.
      • Energía cinéticaes la energía disponible en función del movimiento.
    • 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
    • Conceptos termodinámicos
      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.
      AMBIENTE (alrededores o entorno): es todo lo que rodea al sistema y generalmente interactúa con él.
      Limites
      universo
      ambiente
      Sistema
      En reacciones químicas…SISTEMA = Sustancias químicas
    • Tipo de Limite
      • Limite rígido: pared que no se mueve o no se desplaza
    • Tipo de Limite
      Limite no rígido: pared que se desplaza.
    • Tipo de Limite
      Limite permeable: pared que permite el paso de materia através de ella
    • Tipo de Limite
      • : Limite impermeable: pared que no permite el paso de
      materia
    • 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.
    • Tipo de Limite
      • : Limite diatérmico: pared que permite el flujo de calor entre el sistema y el medio ambiente.
    • Tipos de sistemas
      • SISTEMA ABIERTO: Es aquel que intercambia materia y energía con el ambiente.
    • Tipos de sistemas
      • SISTEMA CERRADO: Es aquel que sólo intercambia energía con el medio ambiente.
      Horno microondas
    • 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.
    • Tipos de sistemas
      SISTEMA
      ALREDEDORES
      Vapor de agua
      Calor
      Calor
      cerrado
      aislado
      abierto
      energía
      nada
      masa y energía
      Intercambio:
    • 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.
    • 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.).
    • Propiedades extensivas
      Son aquellas que dependen de la cantidad de materia y son aditivas, como la masa y el volumen.
    • Propiedades de un sistema
      Si cada propiedad intensiva es constante a lo largo de un sistema, este eshomogéneo, como las soluciones saturadas o insaturadas.
    • Tipos de mezclas homogéneas
    • 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.
    • Tipos de mezclas heterogéneas
    • Conceptos Termodinámicos
      Un sistema se encuentra en un estado definidocuando cada una de sus propiedades tiene un valor determinado.
      Ejemplo: T = 380 K; P = 245 MPa; V=5 m3
    • Conceptos Termodinámicos
      Sometemos un sistema a uncambio 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.
    • 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.
    • 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.
    • Conceptos Termodinámicos
      El proceso es el método de operación mediante el cual se realiza el cambio de estado.
      Calentamiento fusión calen.. evaporación calen..
    • 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.
    • Conceptos Termodinámicos
      Una variable de estadoes aquella que tiene un valor definido cuando se especifica el estado de un sistema. Ejemplo: P = 345 MPa
      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
    • Conceptos Termodinámicos
      Función deestadoes 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.
    • Conceptos Termodinámicos
      Función de trayectoriaes 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.
    • 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
    • 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
    • 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.
    • 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: H2 + I2 = 2 HI
    • 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.
    • 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.
      TA
      TA
      TB
      TC
      TC
      Dos sistemas en equilibrio térmico con un tercero lo estarán entre sí.TA = TB = TC
    • 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.
    • Variación de la energía interna
      Consideremos un sistema en un estado termodinámico inicial I(determinado por sus variables Ui, Ti, Pi y Vi), que es llevado a un estado termodinámico final F (determinado por sus variables Uf, Tf, Pf y Vf), a través de uno o más procesos termodinámicos, tal que su energía interna U puede variar:
    • 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 capacidadY(tal como distancia):
        dw= Xdy
    • Trabajo
    • Tipos de Trabajo
      ___________________________________________________
      Proceso dw= Xdy Comentarios
      ___________________________________________________
      Trabajo mecánico dw = FedlFe = fuerza externa
      l = desplazamiento
      Trabajo tensión dw= kldl kl = tensión
      l = desplazamiento
      Trabajo superficial dw = gdA g = tensión superficial
      A = área
      Trabajo gravitacional dw= mgdl m = masa
      g = constante
      gravitacional
      l = desplazamiento
      ______________________________________________________
    • Tipos de Trabajo
      ___________________________________________________
      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
      ___________________________________________________
    • Sistema inicial para el estudio trabajo
      Embolo (pistón)
      móvil
      Cilindro
      Gas
      Moléculas
      del gas
    • Trabajo en los cambios de volumen
    • Trabajo y diagrama P-V
      Trabajo en los cambios de volumen
      P = F/A
      F = P A
      El casomás simplees un procesotermodinámicoqueimplicacambios en el volumen a presión externa constante.Aplicando el concepto detrabajomecánico:
      W = F x
      Como P = F/A  F = P A:
      W = P A x Como A x = V:
      W = PV = P (Vf – Vi )
      Sólo se realiza trabajo cuando hay cambio de volumen
    • Trabajo y diagrama P-V
      + w
      SISTEMA
      - w
      Convención de signos para W
      Expansión(Vf >Vi)
      (el sistema hace trabajo sobre los alrededores)
      V > 0 entonces W > 0
      Para que W < 0 se antepone
      Compresión(Vf < Vi)
      (los alrededores hacen trabajo sobre el sistema)
      V < 0 entonces W < 0
      Para que W > 0 se antepone
      W = -PV = -P (Vf – Vi )
    • Calor (q)
      Se define como la energíaque se transfiere entre un sistema y susalrededoresdurante un cambio en el estado del sistema y se transfierecomoresultado de unadiferencia de temperatura entre el sistema y susalrededores. Al menosque se realicetrabajo, el calortransferidoestarádirigidodesde el punto de mayor temperatura al de menortemperatura.
      Radiación
      Conducción
      Convección
    • Temperatura
      Temperatura = Energía térmica
      900C
      400C
      Temperatura es una medida de energía térmica (calor).
      mayor energía térmica menor energía térmica
    • Convención de signos para calor
      Ambiente
      Ambiente
      Exotérmico (-)
      Endotérmico (+)
      Ambiente
    • 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
    • Función de energía interna
      Primera ley de la termodinámica
      DEuniverso = DEsistema + DEambiente = 0
      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.
    • Función de energía interna
      Primera ley de la termodinámica
      - q
      + q
      + w
      - w
      Ambiente
      DU = q + w
      Sistema
      q = calor agregado al sistema
      w = trabajo realizado por los alrededores sobre el sistema
      DU = incremento en la energía interna
    • Procesos adiabáticos
      Un procesoadiabáticoesaquel en el que no hay intercambio de energíatérmicaq entre un sistema y susalrededores.
      De la primeraley:
      DU= q + wSi q = 0(procesoadiabático) entonces,
      DU= 0 + w
      Por lo tanto,
      w= DU
    • Procesos isobárico
      Un procesoisobáricoesaquel en el que la presiónpermanece constante.
      Si P = constanteentonces:
      w = -P DV
      Por lo tanto,
      DU = w + q
    • Procesos isocóricos
      Un procesoisocóricoesaquel en el que el volumen del sistemapermanececonstante.
      De la primeraley:
      DU = q + w
      Si W = 0 (procesoisocórico)
      entoncesDU = 0 + q
      Por lo tanto, DU = q
    • Procesos isotérmicos
      Un procesoisotérmicoesaquel en el que la temperatura del sistemapermanececonstante.
      De la primeraley:
      DU = q + w
      Si DU = 0 (procesoisotérmico) entonces
      0 =q + w
      Por lo tanto, q =-w
    • Resumen de ecuaciones
      Primera Ley de la Termodinámica
      Proceso isobárico
      W = -DU
      Proceso adiabático
      Q = DU
      Proceso isocórico
      Q = W
      Proceso isotérmico
    • 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.
    • 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 Thermodynamic. 2ed. McGraw-Hill, New York
      1959. pp. 25-84.
    • 63
      MUCHAS GRACIAS