TERMOQUÍMICA

Unidad V: TERMOQUÍMICA

Prof. Claudia Pérez

Autor:

Ormalen Díaz

C.I: 25.622.095

MATURÍN, 2015. 

Índice

 Introducción…………………………………………………………03

 Relación entre calor y reacción……………………………………04

 1era y 2da ley de la termodinámica……………………………….05

 Entropía (concepto y ejemplos)……………………………………08

 Ley de Hess………………………………………………………….12

 Entropía y Temperatura…………………………………………….14

 Conclusión…………………………………………………………...17

 Bibliografía……………………………………………………………..

Introducción

La termodinámica es la parte de la física que trata de los fenómenos relacionados con la energía térmica y de las leyes (que a continuación se detallaran) que rigen su transformación en otro tipo de energía. La variación de energía térmica acumulada en un medio en un proceso de calentamiento o de enfriamiento se obtiene como el producto de la masa del medio, por su calor específico y por el salto térmico.

Una vez visto y entendido el significado de la primera ley nos damos cuenta que por sí sola no indica la posibilidad o imposibilidad de un proceso, es decir, el que se cumpla en condición necesaria mal no suficiente. Por tal razón surge la llamada “segunda Ley de la termodinámica” ya que podemos encontrar muchísimos ejemplos de la vida diaria en los cuales cumple la primera Ley pero son procesos imposibles porque no podemos eliminar irreversibilidades como la fricción, las pérdidas de calor al ambiente, el desgaste de los materiales, entre otros.

Las irreversibilidades en un proceso me generan entropía la cual se define como el grado de desorden de las moléculas, por lo que es mayor en los gases que en los líquidos mientras que la entropía de los líquidos es mayor que la de los sólidos. Esto tiene su significado físico porque si subimos la temperatura por ejemplo de un gas, aumentará la energía cinética de las moléculas, habrá más movimiento y aumenta las posibilidades de ocupar más sitios de tal manera que la entropía crece al igual que la energía interna y la entalpía, y estas tres propiedades se pueden expresar en términos de calor especifico debido a que este permanece constante durante todos los procesos al cual pueda ser sometido un sólido o un líquido.

Relación entre Calor y Reacción

Todas las reacciones químicas obedecen a dos leyes fundamentales: la ley de la conservación de la masa y la ley de la conservación de la energía. Cuando una sustancia reacciona se puede liberar energía, se puede almacenar energía o se puede convertir esa energía en otra forma de energía. Por lo tanto cuando ocurre una reacción química se produce una variación de energía.

Esto hace que la energía total de los productos, sea por lo general, distinta de la energía total de los reactivos y en consecuencia, los cambios químicos van acompañados por absorción o liberación de energía.

La relación entre reacción química y energía se manifiesta de varias maneras, una de ellas es en forma de calor, entonces la Termoquímica se ocupa del estudio de los cambios de calor asociados a las reacciones químicas.

Toda reacción química lleva asociada una variación observable de energía que puede manifestarse en forma luminosa, eléctrica, mecánica o calorífica, siendo esta última, con mucho, la más frecuente. Para estudiar un proceso químico desde un punto de vista energético, se suele considerar separadamente el conjunto de sustancias en transformación, denominado genéricamente sistema, del resto, que recibe el nombre de medio o entorno. De acuerdo con lo anterior, las reacciones químicas implican una transferencia de energía que en unas ocasiones se lleva a cabo del sistema al medio y en otras en sentido inverso. Si la reacción lleva consigo un desprendimiento de calor del sistema al medio, se denomina exotérmica. Por el contrario, si el proceso químico implica la absorción de una cierta cantidad de calor del medio por parte del sistema, se denomina endotérmica.

La cantidad de calor desprendido o absorbido en una reacción química, referida a las cantidades de sustancias, en número de moles, que figuran en la correspondiente ecuación química ajustada, se denomina calor de reacción. Se expresa en kilocalorías (kcal) o en kilojulios (kJ) y suele situarse en el segundo miembro de la ecuación; en el caso de que se trate de una reacción endotérmica irá precedido de un signo menos.

Los calores de reacción dependen de las condiciones de presión, temperatura y estado físico (sólido, líquido o gaseoso) del sistema; por ello, cuando se pretendan hacer cálculos de energía deben especificarse en la ecuación química dichas condiciones.

Primera ley de la Termodinámica

La primera ley no es otra cosa que el principio de conservación de la energía aplicado a un sistema de muchísimas partículas. A cada estado del sistema le corresponde una energía interna U. Cuando el sistema pasa del estado A al estado B, su energía interna cambia en:

∆U=UB-UA

Supongamos que el sistema está en el estado A y realiza un trabajo W, expandiéndose.

Dicho trabajo mecánico da lugar a un cambio (disminución) de la energía interna de sistema

∆U=-W

También podemos cambiar el estado del sistema poniéndolo en contacto térmico con otro sistema a diferente temperatura. Si fluye una cantidad de calor Q del segundo al primero, aumenta su energía interna en

∆U=Q

Si el sistema experimenta una transformación cíclica, el cambio en la energía interna es cero, ya que se parte del estado A y se regresa al mismo estado, ∆U=0. Sin embargo, durante el ciclo el sistema ha efectuado un trabajo, que ha de ser proporcionado por los alrededores en forma de transferencia de calor, para preservar el principio de conservación de la energía, W=Q.

• Si la transformación no es cíclica ∆U≠ 0

• Si no se realiza trabajo mecánico ∆U=Q

• Si el sistema está aislado térmicamente ∆U=-W

• Si el sistema realiza trabajo, ∆U disminuye

• Si se realiza trabajo sobre el sistema, ∆U aumenta

• Si el sistema absorbe calor al ponerlo en contacto térmico con un foco a temperatura superior, U aumenta.

• Si el sistema cede calor al ponerlo en contacto térmico con un foco a una temperatura inferior, U disminuye.

Todos estos casos, los podemos resumir en una única ecuación que describe la conservación de la energía del sistema.

∆U=Q-W

¿Por qué necesitamos una segunda ley?

La Primera ley (conservación de la energía) pone ciertos límites a los proceso posibles, pero existen muchos procesos que la cumplen y no ocurren en la realidad.

Segunda ley de la termodinámica

La incapacidad de la primera ley de identificar si un proceso puede llevarse a cabo es remediado al introducir otro principio general, la segunda ley de la termodinámica. La primera ley no restringe la dirección de un proceso, pero satisfacerla no asegura que el proceso ocurrirá realmente. Cuando los procesos no se pueden dar, esto se puede detectar con la ayuda de una propiedad llamada entropía. Un proceso no sucede a menos que satisfaga la primera y la segunda ley de la Termodinámica.

El empleo de la segunda ley de la termodinámica no se limita a identificar la dirección de los procesos. La segunda ley también afirma que la energía tiene calidad, así como cantidad. La primera ley tiene que ver con la cantidad y la transformación de la energía de una forma a otra sin importar su calidad. Preservar la calidad de la energía es un interés principal de los ingenieros, y la segunda ley brinda los medios necesarios para determinar la calidad, así como el nivel de degradación de la energía durante un proceso. La naturaleza establece que el total de energía asociada con una fuente térmica nunca puede ser transformada íntegra y completamente en trabajo útil. De aquí que todo el trabajo se puede convertir en calor pero no todo el calor puede convertirse en trabajo.

Definición de Kelvin-Planck

“Es imposible construir un aparato que opere cíclicamente, cuyo único efecto sea absorber calor de una fuente de temperatura y convertirlo en una cantidad equivalente de trabajo”.

Definición de Clausius

“Es imposible construir un aparato que opere en un ciclo cuyo único efecto sea transferir calor desde una fuente de baja temperatura a otra de temperatura mayor”

Entropía

La termodinámica, por definirla de una manera muy simple, fija su atención en el interior de los sistemas físicos, en los intercambios de energía en forma de calor que se llevan a cabo entre un sistema y otro y tiene sus propias leyes.

Uno de los soportes fundamentales de la Segunda Ley de la Termodinámica es la función denominada entropía que sirve para medir el grado de desorden dentro de un proceso y permite distinguir la energía útil, que es la que se convierte en su totalidad en trabajo, de la inútil, que se pierde en el medio ambiente.

La segunda ley de la termodinámica fue enunciada por S. Carnot en 1824. Se puede enunciar de muchas formas, pero una sencilla y precisa es la siguiente:

“La evolución espontánea de un sistema aislado se traduce siempre en un aumento de su entropía.”

La palabra entropía fue utilizada por Clausius en 1850 para calificar el grado de desorden de un sistema. Por tanto la segunda ley de la termodinámica está diciendo que los sistemas aislados tienden al desorden, a la entropía.

• Abajo, aumenta la entropía: Este desorden se grafica en la mayor o menor producción de energía disponible o no disponible, y sobre esta base, también podemos definir la entropía como el índice de la cantidad de energía no disponible en un sistema termodinámico dado en un momento de su evolución.

Según esta definición, en termodinámica hay que distinguir entre energía disponible o libre, que puede ser transformada en trabajo y energía no disponible o limitada, que no puede ser transformada en él.

Para comprender conceptualmente lo dicho, analicemos el ejemplo de un reloj de arena, que es un sistema cerrado en el que no entra ni sale arena.

La cantidad de arena en el reloj es constante; la arena ni se crea ni se destruye en ese reloj. Esta es la analogía de la primera ley de la termodinámica: no hay creación ni destrucción de la materia-energía.

Aunque la cantidad de arena en el reloj es constante, su distribución cualitativa está constantemente cambiando: la cavidad inferior se va llenando, mientras la cavidad superior se vacía. Esta es la analogía de la segunda ley de la termodinámica, en la que la entropía (que es la arena de la cavidad inferior) aumenta constantemente.

La arena de la cavidad superior (la menor entropía) es capaz de hacer un trabajo mientras cae, como el agua en la parte superior de una catarata. La arena en la cavidad inferior (alta entropía) ha agotado su capacidad de realizar un trabajo. El reloj de arena no puede darse la vuelta: la energía gastada no puede reciclarse, a menos que se emplee más energía en ese reciclaje que la que será desarrollada por la cantidad reciclada.

También podemos hacer el análisis tomando como ejemplo una cadena trófica. La entropía acabará con el Universo.

En las cadenas tróficas al ir subiendo de nivel (de productores a consumidores) se va perdiendo energía química potencial. A medida que subimos en los niveles de la cadena, el contenido total de este tipo de energía es menor pero va aumentando la liberación de otro tipo de energía: El calor.

Este último es un tipo de energía con menor probabilidad de aprovecharse ya que podemos generar menos trabajo con este tipo de energía que con la energía química potencial.

Al proceso por el cual la energía pierde su capacidad de generar trabajo útil o, mejor dicho, se transforma en otra energía que es menos aprovechable, se le llama entropía.

Mirado desde otro punto de vista, y para una comprensión y aplicación más general del concepto, la entropía se entiende como el grado de desorden de un sistema, así, por ejemplo, en la medida en que vamos subiendo niveles en la cadena trófica, cada vez tenemos menos control sobre la energía química potencial que sirve para generar trabajo ya que ésta se ha ido transformando en calor y nosotros podemos aprovechar (controlar) menos este tipo de energía, es decir va aumentando el grado de descontrol (desorden) que tenemos sobre la cadena trófica.

Por eso se dice que todo sistema biológico tiende a la entropía; es decir, al desorden.

Como podemos apreciar, la entropía es el elemento esencial que aporta la termodinámica, ciencia de los procesos irreversibles, es decir orientados en el tiempo.

Fragmentos de plato con alta entropía.

• Ejemplos de procesos irreversibles pueden ser: la descomposición radioactiva, la fricción o la viscosidad que modera el movimiento de un fluido. Todos estos procesos poseen una dirección privilegiada en el tiempo, en contraste con los procesos reversibles.

Precisamente, la distinción entre procesos reversibles e irreversibles la introduce en termodinámica el concepto de entropía, que Clausius asocia ya en 1865 al “segundo principio de la termodinámica”.

Todos hemos visto alguna vez un plato que se cae desde una mesa y se hace añicos contra el suelo. Lo que antes estaba ordenado en una única pieza de porcelana, se convierte en una multitud de fragmentos desordenados. Pero la situación contraria, la recomposición de un plato a partir de sus fragmentos de manera espontánea, al menos que se sepa, no la ha visto nadie.

La ruptura del plato es un suceso natural e irreversible, una secuencia temporal adecuada; su recomposición, en cambio, no lo es. Es la evolución natural del orden al desorden o, en términos científicos, la natural tendencia del Universo a aumentar su entropía.

Todos tenemos una cierta idea, intuitiva, de lo que significa orden y desorden, pero desconocemos que el paso de una situación a la otra implica, de forma indefectible, el final de todo movimiento, la muerte del Universo.

Ley de Hess

El paso de los reactivos a los productos finales puede hacerse directamente o a través de una serie de estados intermedios, y se cumple que: "la variación de la entalpía en la reacción directa es la suma de las entalpías de cada una de las reacciones intermedias", ya que al ser la entalpía una función de estado, no depende del camino seguido sino de las condiciones iniciales y finales.

Esto es lo que se conoce como la ley de Hess, formulada en 1840, y a través de ella podemos calcular variaciones de entalpía de una reacción con tal de que pueda obtenerse como suma algebraica de dos o más reacciones cuyos valores de variación de entalpía son conocidos.

Cuando los reactivos se convierten en productos el cambio de entalpía es el mismo independientemente de que el proceso se realice en uno o varios pasos.

Por lo tanto el cambio de entalpía global es igual a la suma de los cambios de H individuales. La regla general al aplicar la ley de Hess es que se deberían acomodar la serie de ecuaciones químicas correspondientes a la serie de reacciones o de etapas individuales de tal manera que al sumarlas se anulan todas las especies intermedios excepto los reactivos y productos que aparecen en la reacción global. Para lograrlo es necesario a menudo multiplicar una o varias de las ecuaciones químicas por los coeficientes adecuadas.

Por lo tanto el cambio de entalpía global es igual a la suma de los cambios de H individuales.

La regla general al aplicar la ley de Hess es que se deberían acomodar la serie de ecuación química correspondientes a la serie de reacciones o de etapas individuales de tal manera que al sumarlas se anulen todas las especies intermedias excepto los reactivos y productos que aparecen en la reacción global. Para lograrlo es necesario a menudo multiplicar una o varias de las ecuaciones químicas por los coeficientes adecuadas.

Entropía y Temperatura

La temperatura y la entropía están íntimamente ligadas. Mientras que la entropía es una medida para el desorden atómico contenido en un cuerpo, la temperatura describe qué tan fuerte es la agitación atómica, es decir la intensidad del movimiento aleatorio de los átomos.

La temperatura es algo así como un nivel de agitación, que es bajo cuando los átomos y moléculas oscilan y rotan suavemente, y es alto cuando el movimiento se hace agitado y turbulento. La temperatura en un cuerpo puede compararse a la fortaleza de los vientos en la atmósfera: para valores bajos las hojas de los árboles sólo se mueven, mientras que para valores altos comienzan a moverse las ramas. De la misma manera como los vientos fuertes pueden romper tallos, las temperaturas altas pueden romper los enlaces de los átomos.

¿Cómo se puede definir la temperatura? Partamos de la siguiente consideración: mientras más desorden se genera en un cuerpo, es decir mientras mayor sea su entropía, mayor será (en términos generales) la temperatura. Por ejemplo, para crear entropía, a saber, incrementar el desorden en un cuerpo en una cantidad Sc, se debe realizar una cierta cantidad de trabajo W.

Esto es entendible cuando se piensa que para ello, por ejemplo, las partículas de un gas se aceleran, se inician oscilaciones internas de las partículas, las rotaciones se incrementan y los enlaces entre átomos se rompen.Además se requiere más energía cuanto más caliente esté el cuerpo. Esto se puede clarificar partiendo de un ejemplo: Imaginemos un cuerpo constituido parcialmente por partículas fuertemente ligadas y por partículas débilmente ligadas.

El desorden atómico se puede incrementar rompiendo los enlaces entre las partículas y dispersando los fragmentos. Cuando el cuerpo es frío, y por lo tanto el nivel de agitación es bajo, las partículas se mueven lentamente, y durante las colisiones sólo se rompen los enlaces débiles, ya que para este rompimiento se requiere poco trabajo. Bajo estas circunstancias no cuesta mucho trabajo incrementar el desorden a costa del rompimiento adicional de enlaces débiles mediante el incremento de la agitación. En presencia de una agitación fuerte, todos los enlaces débiles habrán sido rotos. Para incrementar el desorden aun más, los enlaces fuertes restantes deben ser rotos, lo cual requiere una cantidad considerable de energía.

Recordemos entonces que el incremento de la entropía en un cuerpo exige mayor energía cuanto mayor sea el nivel de desorden, es decir, mientras más caliente el cuerpo nos parezca.

Este hecho se puede usar para definir de manera general la temperatura, definición que es independiente del material del termómetro (por ejemplo mercurio o alcohol). Se asume que esta magnitud es proporcional al trabajo requerido, y se llama temperatura termodinámica, y se simboliza con la letra T.

El teorema de conservación de la energía garantiza que el trabajo W no depende del método que se emplee para incrementar la entropía. En cada caso T tiene un valor bien definido. Debido a que la energía y la entropía son dos magnitudes medibles, independientemente de cualquier consideración atómica, entonces la temperatura también es medible. Como ejemplo discutiremos la temperatura de fusión del hielo. Con este fin colocamos trozos de hielo en un vaso de precipitados, en el cual se introduce un calentador de inmersión.

Cuando el calentador de inmersión se conecta, se produce entropía en su resistencia enroscada mediante colisión de los electrones, la cual es entregada al hielo a través del recubrimiento metálico. El hielo se funde, y el volumen del agua resultante de esa fusión es un indicativo de la entropía que ha fluido hacia el hielo. La energía que fue necesaria para la producción de la entropía se determina a partir de la potencia del calentador de inmersión y del tiempo cronometrado. De la razón entre los valores de la energía y la entropía medida, se obtiene el valor de la temperatura.

Conclusión

Las tecnologías desempeñan un papel fundamental en la seguridad del abastecimiento, la eficiencia energética y la protección del medio ambiente. Son un factor de desarrollo y de posicionamiento de las industrias energéticas en el mercado mundial. Tanto en las técnicas de producción como en las de utilización y consumo de energía. Además fomentan el desarrollo de tecnologías conexas en otros campos tales como protección medioambiental, y tecnologías de control y de información.

El termino entropía fue introducido por la segunda ley como un cambio de energía que a su vez es el principio de la primera ley lo que no tomamos en cuenta es que la entropía es parte de nuestra cotidianidad como el ambiente que enfría una taza de café, pero aplicado a la ingeniería los estudio se hacen por medio el aumento o disminución de la entropía, como sucede en un compresor donde se le aplica un trabajo a un líquido de trabajo y este aumenta su entropía, como también se encuentra el caso de una turbina que es el ejemplo más común cuando se quiere hablar de un proceso adiabático reversible que es la base del estudio de esta propiedad y sus características.

Bibliografía

• http://html.rincondelvago.com/energia-en-las-reacciones-quimicas.html

• http://es.wikipedia.org/wiki/Termodinámica

• http://html.rincondelvago.com/leyes-de-la-termodinamica.html

• http://www.jfinternational.com/mf/termodinamica.html

• http://es.wikipedia.org/wiki/Entropía

• http://www.hiru.com/quimica/termoquimica-energia-de-enlace-espontaneidad-y-entropia

• http://www.job-stiftung.de/pdf/skripte/Quimica_Fisica/capitulo_3.pdf

• http://www.cec.uchile.cl/~roroman/pag_2/ENTROPIA.HTM

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