Unidad 7. Primera ley de termodinámica

2. INTRODUCCIÓN.
En esto último radica gran
parte de su aplicabilidad e
interés en química.
Uno de los aspectos más importantes de la química
es la producción y el flujo de la energía
La Termodinámica estudia los intercambios de energía que se
producen en los procesos físico-químicos.
permite estimar la reactividad
química,
(CONSTANTE DE EQUILIBRIO DE
UNA REACCIÓN),
a partir de las propiedades de
los reactivos y productos de
reacción.

3. Comemos
alimentos
Para mantener nuestras funciones
biológicas
Quemamos
combustibles
Para producir energía eléctrica
Para calentar nuestras casas
Para generar potencia en aviones,
trenes, automóviles.
Usamos cubitos
de hielo
Para enfriar bebidas
Usamos calor Para convertir masa cruda en pan
horneado

4. Todos estos ejemplos nos indican que las reacciones químicas
tienen algo en común:
Las reacciones químicas implican cambios de energía.
La combustión de la
gasolina libera
energía
La separación del agua en
hidrógeno y oxígeno, requiere
energía
El estudio de la energía y sus transformaciones se conoce
como TERMO DINÁMICA
Therme
“calor”
Dynamis
“Potencia”

5. La invención del termómetro se
atribuye a Galileo, aunque el
termómetro sellado no apareció
hasta 1650.
Los orígenes de la Termodinámica como ciencia podrían
establecerse en la época de la invención del termómetro, que
se atribuye a Galileo
En reacciones que se desarrollan bajo condiciones controladas,
la medición de las variaciones de temperatura permite deducir
los intercambios de calor (calores de reacción).

6. Termómetro de cristal, basado en el principio físico de
que la densidad de un líquido cambia según la
temperatura, descubierto por Galileo Galilei (1564-1642).
En función de los cambios de temperatura, las bolas de
cristal que se encuentran en el interior del termómetro, se
desplazan hacia arriba o abajo, generandose dos zonas;
una en la parte superior y otra en la parte inferior.
Cada bola lleva una placa grabada con la temperatura de
correspondencia con la densidad del líquido.
La temperatura ambiente es mostrada por la bola mas
baja del conjunto de bolas que se encuentra en la zona
superior del termómetro.
Rango de 18 a 24ºC (de 2 en 2 grados)

7. Los termómetros modernos
de alcohol y mercurio fueron
inventados por el físico
alemán Gabriel Fahrenheit,
quien también propuso la
primera escala de
temperaturas ampliamente
adoptada, que lleva su
nombre.
Punto de fusión del hielo 32ºF
Punto de ebullición del agua 212ºF.
212-32=180
(La magnitud del grado Fahrenheit es menor que la del grado centígrado)

8. La escala
centígrada, o
Celsius, fue
diseñada por el
astrónomo sueco
Es utilizada en la mayoría de los países.
El punto de congelación es 0 grados
(0 ºC) y el punto de ebullición es de
100 ºC.
Anders Celsius

9. Por último
la escala de temperaturas
absolutas o escala Kelvin, tiene su
cero a una temperatura de –
273.15ºC,
aunque la magnitud del grado
Kelvin es igual a la del grado
Celsius.
Para convertir una temperatura en
la escala Celsius (TC) en su valor
en la escala Kelvin (TK), usamos
la expresión:
TK = TC + 273.15

10. Este área de estudio se
desarrolló mucho con la
revolución industrial
Interesaba conocer las relaciones
entre calor, trabajo y el contenido
energético de los combustibles.
Maximizar el rendimiento de las
máquinas de vapor
Científicos que
destacaron por la realización de investigaciones y
descubrimientos muy relevantes
en relación a la Termodinámica fueron, entre otros, Boltzmann,
Carnot, Clapeyron,
Clausius, Gibbs, Helmholtz, Hess, Joule, Kelvin, Maxwell…

11. El primer principio de la Termodinámica es la ley de
conservación de la energía.
La energía no se crea ni se destruye, sólo se intercambia bajo las
formas de calor o trabajo.
Establece que para un sistema de masa constante la variación de
energía interna al pasar de un estado a otro es igual a la suma de
los intercambios de energía en forma de calor y trabajo.
E = Q + W
Primer principio de la Termodinámica

12. E = mgh
E = ½ mv2
E = aplasta
+
calor
PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA.

13. En general, la energía se puede
convertir de una forma a otra.
-La energía potencial se puede
convertir en energía cinética
-La energía cinética puede servir
para efectuar trabajo y generar
calor.
Una de las observaciones más importantes en la
ciencia es que la energía no se crea ni se destruye: la
energía se conserva.
Cualquier energía que un sistema
pierda deberá ser ganada por el
entorno, y viceversa.
Esta observación tan importante y
fundamental se conoce como
primer principio de la
termodinámica
También puede denominarse ley
de la conservación de la energía.

14. Termodinámica
La Termodinámica estudia los intercambios energéticos que
acompañan a los fenómenos físico-químicos.
Al estudiar el intercambio de energía entre un sistema y su entorno,
se puede predecir en qué sentido puede ocurrir el cambio químico
o físico.

15. En ese aspecto, la Termodinámica predice:
 si los reaccionantes se transforman en productos, o
sea, si la reacción es espontánea o no.
 en qué medida ocurre el cambio, o sea, las cantidades
de productos que se obtienen y la cantidad de
reaccionantes que quedan sin reaccionar una vez
terminada la reacción, o sea, cuando se alcanza el
estado de equilibrio.
Termodinámica

16. A la termodinámica:
 sólo le interesa el estado inicial y el estado final
(no le importa cómo ocurre la reacción).
 no le interesa el tiempo que demora en ocurrir el
proceso.
 para estudiar el proceso mide propiedades
macroscópicas, tales como:
temperatura, presión, volumen.
Termodinámica

17. Sistema: parte del universo que va a ser estudiado y para lo cual
se le ponen límites físicos o imaginarios. Puede ser:
 sistema abierto: intercambia materia y
energía con el medio . Ej: la célula.
 sistema cerrado: sólo intercambia energía
con el medio. Ej: una estufa.
 sistema aislado: no intercambia materia ni
energía. Ej: café caliente en el interior de
un termo aislado.
Termodinámica: conceptos básicos

18. 18

19. Entorno: porción del universo que está fuera de los límites del
sistema. En él hacemos observaciones sobre la energía
transferida al interior o al exterior del sistema.
Por ejemplo, un vaso de precipitado con una mezcla de reacción
puede ser el sistema y el baño de agua donde se sumerge el vaso
constituye el medio ambiente.
Termodinámica: conceptos básicos

20. Para definir un proceso termodinámico basta establecer la
diferencia entre el estado final y el estado inicial de sus
propiedades macroscópicas, las cuales se llaman funciones de
estado, como
 temperatura
 presión
 volumen
Termodinámica: conceptos básicos
Estado termodinámico: es la condición en la que se
encuentra el sistema.
Cada estado termodinámico se define por un conjunto
de sus propiedades macroscópicas llamadas funciones
de estado.

21. Las funciones de estado sólo dependen del estado
inicial y del estado final y no dependen de cómo ocurrió
el proceso.
Las funciones de estado son:
T = temperatura P = presión V = volumen
E = energía interna H = entalpía S = entropía
G = energía libre
Funciones de estado
Las funciones de estado se escriben con mayúsculas.
Otras funciones que dependen de cómo se realice el proceso no
son termodinámicas y se escriben con minúsculas.
Estas son: q = calor w = trabajo

22. Energía interna y temperatura
Energía interna: es la capacidad de un sistema para realizar un
trabajo. Tiene que ver con la estructura del sistema. Se debe a la
energía cinética de las moléculas, la energía de vibración de los
átomos y a la energía de los enlaces. No se puede conocer su
valor absoluto, sólo la diferencia al ocurrir un cambio en el
sistema: DE.
Es una función de estado.
Temperatura (T): es una función de estado
y corresponde a la medida de la energía cinética de las
moléculas de un sistema.

23. 23
Temperatura (T)
30 °C
30 °C
q1 q2
20 °C 20 °C

24. Calor y trabajo
Calor (q): es la energía transferida entre el sistema
y su ambiente debido a que existe entre ambos una
diferencia de temperatura. No es una función de estado.

25. Calor y trabajo
Trabajo (w): es la energía transferida entre el sistema y su
ambiente a través de un proceso equivalente a elevar un peso. No
es una función de estado.
Tipos de trabajo: expansión, extensión, elevación de un peso,
eléctrico, etc.

27. Los procesos termodinámicos pueden ser:
 procesos isotérmicos: se realizan a temperatura
constante.
Procesos termodinámicos
0
5
10
15
20
25
30
0 1 3 6 10 15 21 28 36 45
Volumen
Presión
P v/s V
P/V
P1 * V1 = P2 * V2
P*V=nRT
T Constante
n Constante
R Constante
Ley de Boyle

28.  procesos isobáricos: se realizan a presión constante.
Procesos termodinámicos
P*V=nRT
V/T=nR/P
P Constante
n Constante
R Constante
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Volumen
Temperatura
V v/s T
V/TV1/T1 = V2/T2
Ley de Charles y Gay Lussac

29.  Procesos adiabáticos: No hay transferencia de calor pero si
intercambio de trabajo entre el sistema y el entorno.
Procesos termodinámicos

30. Primer principio de la termodinámica
Corresponde al principio de conservación de la energía.
“La energía del universo no se puede crear ni destruir, sólo son
posibles las transformaciones de un tipo de energía en otro”.
D U = Q+W
D U = Uf - Ui
DU = cambio de U interna de
un sistema
Uf = U interna final
Ui = U interna inicial
Q = Trabajo
Q = ∆U-W

31. Primer principio de la termodinámica
DU = Q+W
1.Calcular la variación de energía interna
para un sistema que ha absorbido 2990 J y
realiza un trabajo de 4000 J sobre su
entorno.
∆U = Q+W
∆U = 2.990J +(-4000J)
∆U =-1.010 J
El sistema ha disminuido su energía
interna en 1.010 J.

32. 1.Calcular la variación de energía interna para un
sistema que ha absorbido 5000 J y realiza un
trabajo de 3000 J sobre su entorno.
∆U = Q+W
∆U = 5.000J +(-3000J)
∆U = 2000 J
Primer principio de la termodinámica

33. 2.Calcular la variación de energía interna para un
sistema que ha liberado 2.590 J y el trabajo es
realizado por las fuerzas exteriores sobre el
sistema, siendo el valor del trabajo 3.560 J.
∆U = Q+W
∆U = -2590J +(+3560J)
∆U = +978 J
Primer principio de la termodinámica