Conceptos De La Termodinámica
La Termodinámica es una de las ramas científicas e ingenieriles más importantes, la cuál fue originada en el siglo XIX.
El objeto de la Termodinámica es el estudio de la energía y sus transformaciones, entendida esta como la capacidad de un sistema para realizar un trabajo o para suministrar calor.
La Termodinámica es esencial para la física: nos permite estudiar maquinas térmicas, transiciones de fase, agujeros negros, etcétera.
La Termodinámica es esencial para la química: explica por qué las reacciones tienen lugar y nos permite predecir la cantidad de calor que liberan y el trabajo que pueden realizar.
Esto forma parte de nuestras vidas, y lo podemos ver en un ejemplo: cuando se quema combustible se emite calor y también cuando ingerimos alimentos, estos nos aportan recursos energéticos.
¡Los principios termodinámicos nos gobiernan!
Para entender esta materia necesitamos saber los siguientes conceptos:
Sistema termodinámico: Existen 2 tipos de clasificaciones generales
Según grado de aislamiento
Abierto: Aquel que intercambia materia y energía a su exterior.
Cerrado: Es aquel que puede intercambiar energía pero no materia con su exterior.
Aislado: Aquel que está en equilibrio termodinámico, o sea no intercambia ni materia ni energía con su entorno.
Según grado de homogeneidad
Homogéneo: Si las propiedades macroscópicas de cualquier parte del sistema son iguales en cualquier porción o parte del mismo. Ejemplo: un sólido.
Heterogéneo: Cuando se difiere de lo anterior. Ejemplo: una tetera que hieve agua, dentro de esta esta agua liquida y vapor.
Estado de un sistema termodinámico: Conjunto de valores que toman las propiedades de un sistema termodinámico que deben ser especificadas para reproducir el sistema.
Variables de estado: Son las que caracterizan el tipo de sistema termodinámico en equilibrio, tales como el volumen, la temperatura, la presión, la cantidad de materia, entropía, densidad, etc.
Funciones de estado: Cualquier propiedad que tiene un único valor cuando el estado del sistema esta definido. Describen la condición momentánea de un sistema termodinámico. Es una propiedad de un sistema termodinámico que depende sólo del estado del sistema y no de la forma en que el sistema llegó a dicho estado. Por ejemplo la energía interna y la entropía son funciones de estado. El calor y el trabajo no son funciones de estado, ya que su valor depende del tipo de transformación que experimenta un sistema desde su estado inicial a su estado final. Las funciones de estado pueden verse como propiedades del sistema, mientras que las funcione que no son de estado representan procesos en los que las funcione de estado varían.
Propiedad extensiva: Es aquella que depende del tamaño o la masa del cuerpo. Mejor dicho dependen de la extensión de la materia, o sea la cantidad de la materia y propiedades relacionadas con la cantidad de materia. Ejemplo volumen, entalpía de fusión, energía de un sistema, la masa, etc.
Propiedad intensiva: Son aquellas independientes de la cantidad de materia. Ejemplo: temperatura, densidad, punto de ebullición, potencial químico, concentración, molalidad, presión, volumen específico, etc.
Energía interna: Es una función de estado.
Reacción química: Proceso en el cuál dos o mas sustancias se transforman, cambiando su estructura molecular y sus enlaces.
Temperatura: Magnitud escalar que pone en evidencia la energía térmica de un cuerpo en relación con la de otro.
Calor: Es la energía que se intercambia entre un sistema y sus alrededores como una diferencia de temperaturas. El calor fluye desde el cuerpo más caliente hasta el cuerpo más frío, y por lo tanto la temperatura puede variar y el estado de la materia también. El calor no es una función de estado.
Caloría: Es la cantidad de calor necesaria para variar un grado celsius la temperatura de un gramo de agua destilada, de 14.5°C a 15,5°C.
Capacidad calorífica: Cantidad de calor necesaria para modificar un grado la temperatura de un sistema.
Calor específico: Es una propiedad intensiva y es una valor fijo para cada sustancia. Es la cantidad de calor que hay que suministrar a una unidad de masa de la sustancia para que esta eleve su temperatura en una unidad.
Calor de reacción (qr): Cantidad de calor intercambiado entre un sistema y sus alrededores cuando tiene lugar una reacción química en el seno del sistema, a temperatura constante.
Reacciones exotérmicas: Producen un aumento de la temperatura o ceden calor al entorno, por lo tanto qr>0.
Reacciones endotérmicas: Producen una disminución de la temperatura del sistema o consumen calor, por lo tanto qr<0.
Calorimetría: Ciencia que se encarga de medir la cantidad de calor generada o perdida en ciertos procesos físicos o quimicos.
Trabajo: Se realiza trabajo cuando se realiza un movimiento en contra de una fuerza que se opone a ese movimiento. Es imposible realizar un trabajo sin consumir energía. No es una función de estado.
Primer principio de la termodinámica: La energía no se crea ni se destruye, si no que se conserva. Si se realiza trabajo sobre un sistema, este trabajo será igual al calor cedido por este sistema y viceversa, además que su energía interna cambia. La fórmula es la siguiente:
deltaU= Q-W, donde deltaU es el cambio en la energía interna del sistema, Q es el calor absorbido por el sistema y W es el trabajo realizado por el sistema.
Entalpía: Cantidad de energía que un sistema puede intercambiar con su entorno. Es una variable de estado medible de forma precisa con las otras cantidades de estado involucradas, tal cual se ve en la siguiente formula H=U+PV, donde H es la entalpía, U es la energía interna del sistema, P es presión y V volumen.
Entropía y desorden: Es una ley natural que cualquier sistema abandonado a sí mismo (sin influencia externa) cambia de manera espontánea, a una determinada velocidad mayor o menor, hasta alcanzar un estado final de reposo o equilibrio.
Energía libre: Es la cantidad de trabajo que un sistema puede realizar. También se entiendo como la energía interna de un sistema menos la energía que no puede ser utilizada para realizar trabajo. Es una función de estado.
Segundo principio de la termodinámica: Este principio es la clave para entender por qué una reacción química, un fenómeno físico, etc., tiene tendencia natural a producirse mientras que otra no. Este principio se aplica mediante el uso de los importantes conceptos de entropía y energía libre.
Tercer principio de la termodinámica: La entropía en un sistema al cero absoluto está bien definida y cualquier proceso se detiene. A su vez se afirma que el cero absoluto es imposible alcanzarlo en un numero finito de etapas.
Proceso reversible: Aquellos que tienen lugar en condiciones tales que basta una pequeña modificación, de las mismas para que se invierta el sentido en el cual tiene lugar el proceso. Una de las características de los procesos reversibles es que las funciones y variables de estado del sistema, tales como la presión y la temperatura, nunca difieren de las del medio-ambiente en más de una cantidad infinitesimal.
Proceso irreversible: Son aquellos que involucran perdidas de calor, rozamiento, etc. Este tipo de procesos es irrevesible a menos que se haga un cambio en sus alrededores.
El objeto de la Termodinámica es el estudio de la energía y sus transformaciones, entendida esta como la capacidad de un sistema para realizar un trabajo o para suministrar calor.
La Termodinámica es esencial para la física: nos permite estudiar maquinas térmicas, transiciones de fase, agujeros negros, etcétera.
La Termodinámica es esencial para la química: explica por qué las reacciones tienen lugar y nos permite predecir la cantidad de calor que liberan y el trabajo que pueden realizar.
Esto forma parte de nuestras vidas, y lo podemos ver en un ejemplo: cuando se quema combustible se emite calor y también cuando ingerimos alimentos, estos nos aportan recursos energéticos.
¡Los principios termodinámicos nos gobiernan!
Para entender esta materia necesitamos saber los siguientes conceptos:
Sistema termodinámico: Existen 2 tipos de clasificaciones generales
Según grado de aislamiento
Abierto: Aquel que intercambia materia y energía a su exterior.
Cerrado: Es aquel que puede intercambiar energía pero no materia con su exterior.
Aislado: Aquel que está en equilibrio termodinámico, o sea no intercambia ni materia ni energía con su entorno.
Según grado de homogeneidad
Homogéneo: Si las propiedades macroscópicas de cualquier parte del sistema son iguales en cualquier porción o parte del mismo. Ejemplo: un sólido.
Heterogéneo: Cuando se difiere de lo anterior. Ejemplo: una tetera que hieve agua, dentro de esta esta agua liquida y vapor.
Estado de un sistema termodinámico: Conjunto de valores que toman las propiedades de un sistema termodinámico que deben ser especificadas para reproducir el sistema.
Variables de estado: Son las que caracterizan el tipo de sistema termodinámico en equilibrio, tales como el volumen, la temperatura, la presión, la cantidad de materia, entropía, densidad, etc.
Funciones de estado: Cualquier propiedad que tiene un único valor cuando el estado del sistema esta definido. Describen la condición momentánea de un sistema termodinámico. Es una propiedad de un sistema termodinámico que depende sólo del estado del sistema y no de la forma en que el sistema llegó a dicho estado. Por ejemplo la energía interna y la entropía son funciones de estado. El calor y el trabajo no son funciones de estado, ya que su valor depende del tipo de transformación que experimenta un sistema desde su estado inicial a su estado final. Las funciones de estado pueden verse como propiedades del sistema, mientras que las funcione que no son de estado representan procesos en los que las funcione de estado varían.
Propiedad extensiva: Es aquella que depende del tamaño o la masa del cuerpo. Mejor dicho dependen de la extensión de la materia, o sea la cantidad de la materia y propiedades relacionadas con la cantidad de materia. Ejemplo volumen, entalpía de fusión, energía de un sistema, la masa, etc.
Propiedad intensiva: Son aquellas independientes de la cantidad de materia. Ejemplo: temperatura, densidad, punto de ebullición, potencial químico, concentración, molalidad, presión, volumen específico, etc.
Energía interna: Es una función de estado.
Reacción química: Proceso en el cuál dos o mas sustancias se transforman, cambiando su estructura molecular y sus enlaces.
Temperatura: Magnitud escalar que pone en evidencia la energía térmica de un cuerpo en relación con la de otro.
Calor: Es la energía que se intercambia entre un sistema y sus alrededores como una diferencia de temperaturas. El calor fluye desde el cuerpo más caliente hasta el cuerpo más frío, y por lo tanto la temperatura puede variar y el estado de la materia también. El calor no es una función de estado.
Caloría: Es la cantidad de calor necesaria para variar un grado celsius la temperatura de un gramo de agua destilada, de 14.5°C a 15,5°C.
Capacidad calorífica: Cantidad de calor necesaria para modificar un grado la temperatura de un sistema.
Calor específico: Es una propiedad intensiva y es una valor fijo para cada sustancia. Es la cantidad de calor que hay que suministrar a una unidad de masa de la sustancia para que esta eleve su temperatura en una unidad.
Calor de reacción (qr): Cantidad de calor intercambiado entre un sistema y sus alrededores cuando tiene lugar una reacción química en el seno del sistema, a temperatura constante.
Reacciones exotérmicas: Producen un aumento de la temperatura o ceden calor al entorno, por lo tanto qr>0.
Reacciones endotérmicas: Producen una disminución de la temperatura del sistema o consumen calor, por lo tanto qr<0.
Calorimetría: Ciencia que se encarga de medir la cantidad de calor generada o perdida en ciertos procesos físicos o quimicos.
Trabajo: Se realiza trabajo cuando se realiza un movimiento en contra de una fuerza que se opone a ese movimiento. Es imposible realizar un trabajo sin consumir energía. No es una función de estado.
Primer principio de la termodinámica: La energía no se crea ni se destruye, si no que se conserva. Si se realiza trabajo sobre un sistema, este trabajo será igual al calor cedido por este sistema y viceversa, además que su energía interna cambia. La fórmula es la siguiente:
deltaU= Q-W, donde deltaU es el cambio en la energía interna del sistema, Q es el calor absorbido por el sistema y W es el trabajo realizado por el sistema.
Entalpía: Cantidad de energía que un sistema puede intercambiar con su entorno. Es una variable de estado medible de forma precisa con las otras cantidades de estado involucradas, tal cual se ve en la siguiente formula H=U+PV, donde H es la entalpía, U es la energía interna del sistema, P es presión y V volumen.
Entropía y desorden: Es una ley natural que cualquier sistema abandonado a sí mismo (sin influencia externa) cambia de manera espontánea, a una determinada velocidad mayor o menor, hasta alcanzar un estado final de reposo o equilibrio.
Energía libre: Es la cantidad de trabajo que un sistema puede realizar. También se entiendo como la energía interna de un sistema menos la energía que no puede ser utilizada para realizar trabajo. Es una función de estado.
Segundo principio de la termodinámica: Este principio es la clave para entender por qué una reacción química, un fenómeno físico, etc., tiene tendencia natural a producirse mientras que otra no. Este principio se aplica mediante el uso de los importantes conceptos de entropía y energía libre.
Tercer principio de la termodinámica: La entropía en un sistema al cero absoluto está bien definida y cualquier proceso se detiene. A su vez se afirma que el cero absoluto es imposible alcanzarlo en un numero finito de etapas.
Proceso reversible: Aquellos que tienen lugar en condiciones tales que basta una pequeña modificación, de las mismas para que se invierta el sentido en el cual tiene lugar el proceso. Una de las características de los procesos reversibles es que las funciones y variables de estado del sistema, tales como la presión y la temperatura, nunca difieren de las del medio-ambiente en más de una cantidad infinitesimal.
Proceso irreversible: Son aquellos que involucran perdidas de calor, rozamiento, etc. Este tipo de procesos es irrevesible a menos que se haga un cambio en sus alrededores.
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