Termodinamica Segunda Ley

Termoquímica.

La Termoquímica se encarga de estudiar las características de una reacción química, con respecto al requerimiento o liberación energética implicada en la realización de los cambios estructurales correspondientes. Si la energía química de los reaccionantes es mayor que la de los productos se produce una liberación de calor durante el desarrollo de la reacción, en caso contrario se necesita una adición de calor. Esto hace que las reacciones se clasifiquen en exotérmicas o endotérmicas según que liberen o requieran calor. La reacción entre hidróxido de sodio y ácido clorhídrico es altamente exotérmica, mientras que la reacción de formación de óxido de magnesio a partir de oxígeno y magnesio es endotérmica.

Ecuación Termoquímica.

En termoquímica las reacciones químicas se escriben como ecuaciones donde además de las fórmulas de los componentes se especifica la cantidad de calor implicada a la temperatura de la reacción, y el estado físico de los reactivos y productos mediante símbolos "s" para sólidos, "g" para gases, "l" para líquidos y "ac" para fases acuosas. El calor de una reacción, QR, usualmente se expresa para la reacción en sentido derecho y su signo indica si la reacción es exotérmica o endotérmica, de acuerdo a que si:

Reacción exotérmica: QR < 0

Reacción endotérmica: QR > 0

La siguiente reacción está escrita en forma de ecuación termoquímica:

Fe2O3 (s) + 3C(grafito) ↔ 2Fe(s) + 3CO(g) QR = 492,6 KJ/mol

Porque se expresan los estados de sus componentes y el calor de reacción en condiciones estándares. Se entiende que 492.6 KJ es la cantidad de calor requerido en la reacción, por cada mol de óxido férrico que reacciona en estado sólido a 25'C y 1 atmósfera de presión.

La siguiente reacción escrita en forma termoquímica:

2H2S(g) + Fe(s) ↔ FeS2(s) + 2H2(g) QRº = -137 KJ/mol

Muestra que es exotérmica y que por cada 2 moles de sulfuro de hidrógeno en forma gaseosa que reaccionan se liberan 137 KJ de calor en condiciones estándares, indicado esto mediante el superíndice colocado sobre el símbolo.

Calorimetría:

Mediante la calorimetría se puede medir el calor en una reacción química o un cambio físico usando un instrumento llamado calorímetro. Pero también se puede emplear un modo indirecto calculando el calor que los organismos vivos producen a partir de la producción de dióxido de carbono y de nitrógeno (urea en organismos terrestres), y del consumo de oxígeno.

donde

ΔU = cambio de energía interna

Como la presión no se mantiene constante, el calor medido no representa el cambio de entalpía.

==Calorimetría a presión constante===)=P

El calor medido es igual al cambio en la energía interna del sistema menos el trabajo realizado:

Como la presión se mantiene constante, el calor medido representa el cambio de entalpía.

Calor Específico.

El calor específico es una magnitud física que se define como la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia o sistema termodinámico para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius). En general, el valor del calor específico depende de dicha temperatura inicial.1 2 Se la representa con la letra (minúscula).

En forma análoga, se define la capacidad calorífica como la cantidad de calor que hay que suministrar a toda la masa de una sustancia para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius). Se la representa con la letra (mayúscula).

Por lo tanto, el calor específico es la capacidad calorífica específica, esto es donde es la masa de la sustancia.

El calor específico medio ( ) correspondiente a un cierto intervalo de temperaturas se define en la forma:

Donde es la transferencia de energía en forma calorífica en el entre el sistema y su entorno u otro sistema, es la masa del sistema (se usa una n cuando se trata del calor específico molar) y es el incremento de temperatura que experimenta el sistema.

Capacidad Calórica.

La capacidad calorífica de un cuerpo es el cociente entre la cantidad de energía calorífica transferida a un cuerpo o sistema en un proceso cualquiera y el cambio de temperatura que experimenta. En una forma menos formal es la energía necesaria para aumentar 1 K la temperatura de una determinada cantidad de una sustancia, (usando el SI).1 Indica la mayor o menor dificultad que presenta dicho cuerpo para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Puede interpretarse como una medida de inercia térmica. Es una propiedad extensiva, ya que su magnitud depende, no solo de la sustancia, sino también de la cantidad de materia del cuerpo o sistema; por ello, es característica de un cuerpo o sistema particular. Por ejemplo, la capacidad calorífica del agua de una piscina olímpica será mayor que la de un vaso de agua. En general, la capacidad calorífica depende además de la temperatura y de la presión.

La capacidad calorífica no debe ser confundida con la capacidad calorífica específica o calor específico, el cual es la propiedad intensiva que se refiere a la capacidad de un cuerpo «para almacenar calor», y es el cociente entre la capacidad calorífica y la masa del objeto. El calor específico es una propiedad característica de las sustancias y depende de las mismas variables que la capacidad calorífica.

Para medir la capacidad calorífica bajo unas determinadas condiciones es necesario comparar el calor absorbido por una sustancia (o un sistema) con el incremento de temperatura resultante. La capacidad calorífica viene dada por:

Donde:

C es la capacidad calorífica, que en general será función de las variables de estado.

Q es el calor absorbido por el sistema.

ΔT la variación de temperatura

Se mide en unidades del SI julios/K (o también en cal/°C).

La capacidad calorífica (C) de un sistema físico depende de la cantidad de sustancia o masa de dicho sistema. Para un sistema formado por una sola sustancia homogénea se define además el calor específico o capacidad calorífica específica c a partir de la relación:

Donde:

C es la capacidad calorífica del cuerpo o sistema

c es el calor específico o capacidad calorífica específica

m la masa de sustancia considerada

De las anteriores relaciones es fácil inferir que al aumentar la masa de una sustancia, se aumenta su capacidad calorífica ya que aumenta la inercia térmica, y con ello aumenta la dificultad de la sustancia para variar su temperatura. Un ejemplo de esto se puede apreciar en las ciudades costeras donde el mar actúa como un gran termostato regulando las variaciones de temperatura.

Calor Ganado o perdido en una reacción:

Es la cantidad de calor liberado o absorbido en la reacción de formación de un mol de una sustancia a partir de sus elementos constituyentes. La reacción de formación del bromuro de hidrógeno gaseoso a partir de sus elementos componentes en estado gaseoso y su correspondiente calor de formación, a condiciones estándares, es:

½ H2(g) + ½ Br2(g) ↔ HBr(g) Qf º= -36,38 KJ/mol

Los compuestos como el bromuro de hidrógeno gaseoso se denominan compuestos exotérmicos porque su reacción de formación es exotérmica, en caso contrario se llaman compuestos endotérmicos.

Es importante notar que el cambio en el estado material de alguno de los componentes de una reacción química producirá un cambio en la cantidad de calor implicada y/o en la naturaleza energética de la reacción. En la reacción de formación del agua no hay diferencias estructurales al obtenerla en forma gaseosa o líquida, pero energéticamente es mayor la cantidad liberada cuando se forma un mol de agua líquida con respecto a la cantidad liberada cuando se forma un mol de agua gaseosa, como se puede observar en las siguientes reacciones de formación

H2(g) + 1/2 O2(g) ↔ H2O(g) Qfº = -241.814 KJ/mol.

H2(g) + 1/2 O2(g) ↔ H2O(1) Qf = -285,830 KJ/mol

Los calores de formación son determinados experimentalmente y para su estimación se asume que el calor de formación de los elementos en estado libre y en condiciones estándares es cero.

En las reacciones químicas exotérmicas se desprende calor, el DH es negativo y significa que la energía de los productos es menor que la energía de los reactivos, por ejemplo en las reacciones de combustión.

En las reacciones químicas endotérmicas se absorbe calor, DH es positivo y significa que la energía de los productos es mayor que la energía de los reactivos, por ejemplo en la fotosíntesis.

Determinación de calor de combustión, formación y solución.

Es el calor que se libera en una reacción de combustión de un compuesto orgánico. Se entiende por completa la oxidación de un compuesto orgánico con el oxígeno del aire, produciéndoselos gases bióxido de carbono y vapor de agua, además de la liberación de una cantidad de calor. Sien vez de bióxido de carbono se produce monóxido de carbono o carbono en estado natural, se dice que la combustión es incompleta.

El gas natural o el propano son gases que además de aprovecharlos con propósitos de síntesis de otros compuestos son utilizados como combustibles, tanto doméstica como industrialmente, debido a su gran calor de combustión. Los alimentos al ser digeridos por

...