TERMODINAMICATERMODINAMICA

Un sistema podría ser: Un sistema podría ser:

la totalidad del liceo (con todo lo que hay la totalidad del liceo (con todo lo que hay en su interior: docentes, estudiantes, en su interior: docentes, estudiantes, bancos, libros, etc.), bancos, libros, etc.),

Funciones termodinámicas:

Son aquellas funciones que nos dicen en cada momento la situación en la que se encuentra un sistema termodinámico y también como puede evolucionar ese sistema, son funciones termodinámicas:

Energía interna ( U )Entalpía ( H )Entropía ( S )Energía libre de Gibbs ( G )

Las funciones termodinámicas se caracterizan por:1.- Son funciones extensivas, es decir, dependen de la masa del sistema.2.- Son funciones de punto, su valor depende únicamente de la situación en la que se encuentra el sistema y no del camino que hayamos seguido para llevar el sistema a la situación en la que se encuentra.3.- No es posible conocer valores absolutos de las funciones termodinámicas, sólo nos será posible conocer las variaciones que tienen estas funciones (ΔU ; ΔH; ΔS; ΔG).

Podemos ver textos donde los autores nos dan valores absolutos de estas funciones termodinámicas y no es porque puedan darlos, sino porque han tomado un valor de referencia para una presión y una temperatura dadas, así por ejemplo, en condiciones normales (1 atm y 0ºC) y condiciones estándar (1 atm y 25ºC).

PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

La primera ley se puede enunciar en los siguientes términos:

"Si se transfiere calor, Q, desde el entorno o medio ambiente a un sistema, la energía interna, E, aumenta en una cantidad E y al mismo tiempo, parte del calor puede invertirse en realizar un trabajo, W, sobre

el medio"

La primera ley se conoce también como "ley de la conservación de la energía"

La energía del universo es constante

Tanto el calor (Q) como el trabajo (W) no son funciones de estado dado que estas dos variables dependen del camino seguido para efectuar el cambio de estado, sin embargo su diferencia si es función de estado (E).

E = Q - W

E entraE entra − − EsaleEsale = Δ = ΔE sistemaE sistema

Aunque Q y W separadamente Aunque Q y W separadamente dependen del camino tomado, dependen del camino tomado, Q – W no depende, en lo Q – W no depende, en lo absoluto, de cómo pasamos el absoluto, de cómo pasamos el sistema del sistema del estadoestado inicial al estado inicial al estado final, sino solo de los estados inicial y final, sino solo de los estados inicial y final (de equilibrio).final (de equilibrio).

Hay una función de las coordenadas termodinámicas cuando valor final, menos su valor inicial es igual al cambio en el proceso. A esta función le llamamos función de la energía interna.

Representemos la función de la energía interna por la letra U. Entonces la energía interna del sistema es un valor determinado independientemente de la forma en que el sistema pasa del estado inicial al estado final. Tenemos entonces que:

Podemos escribir la primera Podemos escribir la primera leyley diferencial en la forma:diferencial en la forma:

Todo sistema termodinámico en un Todo sistema termodinámico en un estado de estado de equilibrioequilibrio, tiene una , tiene una variable de estado llamada energía variable de estado llamada energía interna cuyo cambio interna cuyo cambio en un en un procesoproceso diferencial está dado por la ecuación diferencial está dado por la ecuación antes escrita.antes escrita.

Como sucede para la energía potencial, Como sucede para la energía potencial, también para que la energía interna, lo también para que la energía interna, lo que importa es su que importa es su cambiocambio. .

Esta ecuación se conoce comoEsta ecuación se conoce como la primera la primera leyley de la de la termodinámicatermodinámica,, al aplicarla al aplicarla debemos recordar que se considera debemos recordar que se considera positiva cuando el calor entra al sistema y positiva cuando el calor entra al sistema y que será positivo cuando que será positivo cuando el trabajoel trabajo lo hace lo hace el sistema.el sistema.

Los cambios se pueden resumir en:E > 0 si aumenta la energía del sistemaE < 0 si disminuye la energía del sistemaQ > 0 si fluye calor desde el entorno hacia el sistemaQ < 0 si fluye calor desde el sistema hacia el entornoW > 0 si se hace trabajo contra el entornoW < 0 si se hace trabajo contra el sistema

¿Es el proceso endotérmico o ¿Es el proceso endotérmico o exotérmico?exotérmico?

Procesos exotérmicos y endotérmicos con ejemplos de la Procesos exotérmicos y endotérmicos con ejemplos de la vida cotidiana:vida cotidiana:

1.- El proceso de fusión del hielo es endotérmico y por ello se 1.- El proceso de fusión del hielo es endotérmico y por ello se enfría el agua del vaso que contiene un trozo de hielo.enfría el agua del vaso que contiene un trozo de hielo.

La sensación de frío de un trozo de hielo sostenido en la mano La sensación de frío de un trozo de hielo sostenido en la mano se debe a que el hielo durante la fusión (y también por se debe a que el hielo durante la fusión (y también por encontrarse a menor temperatura) absorbe calor del encontrarse a menor temperatura) absorbe calor del entorno y lo enfría. entorno y lo enfría.

2.- La combustión de la cabeza del 2.- La combustión de la cabeza del fósforo es muy exotérmica y hace fósforo es muy exotérmica y hace arder la madera, combustión que arder la madera, combustión que también es un proceso exotérmico, también es un proceso exotérmico, por ello nos quemamos si acercamos por ello nos quemamos si acercamos la mano: se está produciendo calor.la mano: se está produciendo calor.

3.- La estufa (parafina, gas, etc.) es 3.- La estufa (parafina, gas, etc.) es útil porque en ella ocurre una útil porque en ella ocurre una combustión, esto es, un proceso combustión, esto es, un proceso exotérmico que nos entrega calor.exotérmico que nos entrega calor.

4.- Un acondicionador enfría el aire porque en el interior del 4.- Un acondicionador enfría el aire porque en el interior del equipo se produce, en un sistema hermético, la equipo se produce, en un sistema hermético, la evaporación de un líquido para lo cual dicho líquido absorbe evaporación de un líquido para lo cual dicho líquido absorbe calor del aire, enfriándolo. calor del aire, enfriándolo.

El acondicionador tiene un condensador en el exterior, en el El acondicionador tiene un condensador en el exterior, en el cual el vapor se condensa, entregando calor al aire exterior. cual el vapor se condensa, entregando calor al aire exterior. (Se produce de este modo un “bombeo” de calor desde el (Se produce de este modo un “bombeo” de calor desde el interior hacia el exterior, enfriándose el aire en la pieza).interior hacia el exterior, enfriándose el aire en la pieza).

5.- Según lo anterior, la evaporación de un líquido es un proceso endotérmico. Por eso soplamos para enfriar la sopa acelerando el proceso de evaporación al retirar el vapor que está en equilibrio con el líquido; el calor necesario para la evaporación es obtenido del mismo líquido que, de este modo, se enfría.

6.- En el caso de la ebullición, el calor absorbido por el líquido no produce un aumento de temperatura porque se utiliza para aumentar la energía cinética (promedio) de las moléculas, que logran así escapar de su superficie realizando un trabajo al vencer las fuerzas de cohesión de las moléculas del líquido.

Proceso exotérmico se desprende calor, q es negativo porque el sistema libera energía al entorno

Proceso endotérmico se absorbe calor, q es positivo porque el sistema absorbe calor desde el entorno

Un proceso irreversible es una Un proceso irreversible es una transformación espontánea que ocurre transformación espontánea que ocurre en una dirección determinada pero no en una dirección determinada pero no en dirección opuesta.en dirección opuesta.

¿Es el proceso reversible o irreversible?

Procesos reversibles a aquellos que hacen evolucionar a un sistema termodinámico desde un estado de equilibrio inicial a otro nuevo estado de

equilibrio final a través de infinitos estados de equilibrio.

Estos procesos son procesos ideales, ya que el tiempo necesario para que se establezcan esos infinitos estados de equilibrio intermedio

sería infinito.

Los procesos reversibles son idealizaciones de procesos verdaderos. Los procesos reversibles son extremadamente útiles para definir límites al sistema o del comportamiento de dispositivos, para identificar las áreas en las cuales ocurren las ineficiencias y permite dar criterios en el diseño de dispositivos.

Una característica importante de un proceso reversible es que, dependiendo del proceso, este representa el trabajo máximo que se puede extraer al ir de un estado a otro, o bien el trabajo mínimo que es necesario para crear un cambio de estado.

Por ejemplo, supongamos que tenemos un Por ejemplo, supongamos que tenemos un cilindro aislado térmicamente que cilindro aislado térmicamente que contiene un gas ideal, como se muestra en contiene un gas ideal, como se muestra en la figura. El gas está contenido por un la figura. El gas está contenido por un pistón aislado de masa despreciable con pistón aislado de masa despreciable con un apilado de varias pesas pequeñas un apilado de varias pesas pequeñas encima de él. El sistema está inicialmente encima de él. El sistema está inicialmente en equilibrio mecánico y térmico. en equilibrio mecánico y térmico.

Consideremos los tres siguientes procesos que son mostrados en la figura:

1. Todos las pesas se quitan del pistón instantáneamente y el gas se expande hasta que su volumen se incrementa en un factor de cuatro (una extensión libre).

2. La mitad del peso se quita del pistón instantáneamente, el sistema llega al doble de su volumen, y entonces la otra mitad del peso se quita instantáneamente del pistón y el gas se expande hasta que su volumen se duplica otra vez.

3. Cada pesa pequeña se quita del pistón una a la vez, de modo que la presión dentro del cilindro esté siempre en equilibrio con el peso sobre el pistón. Cuando se quita la última pasa, el volumen ha aumentado en un factor de cuatro.

Procesos espontáneosProcesos espontáneos

•Proceso espontáneo: Ocurre sin intervención del entorno.

•Proceso no espontáneo: No ocurre sin la intervención del entorno.

Un Un proceso espontáneoproceso espontáneo es el es el inducido en el sistema por la inducido en el sistema por la eliminación de una o varias eliminación de una o varias condiciones internas. condiciones internas.

Por ejemplo, la redistribución de Por ejemplo, la redistribución de volumen en un sistema expansivo, volumen en un sistema expansivo, debido a hacerse móvil una pared debido a hacerse móvil una pared interna de separación. Entre los interna de separación. Entre los estados inicial y final el sistema estados inicial y final el sistema abandona el equilibrio. abandona el equilibrio.

Cambio espontáneo: Existe una reducción en la calidad de la energía.

Los cambios espontáneos son el resultado de la tendencia del universo hacia un caos mayor.

Indicador del cambio espontáneo:Se busca la dirección del cambio que conduzca a la dispersión caótica de la energía total.