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