Termodinamica

Termodinámica

La termodinámica es la rama de la ciencia que estudia las transformaciones energéticas que acompañan a los procesos. La termodinámica química es la parte de la termodinámica relacionada con los procesos químicos.

Una de las suposiciones básicas de la termodinámica es que el universo puede dividirse arbitrariamente en sistema y alrededores (o medio). Se entiende por sistema la parte del universo que nos interesa estudiar y el medio es el resto del universo. En la Figura V.1 se representa un sistema y el intercambio de energía con su entorno. La separación (contorno) entre el sistema y los alrededores puede ser tan real como las paredes de un vaso de precipitados que separa una solución del resto del universo o puede ser imaginario como en el caso como el conjunto de puntos que divide al aire por encima de una superficie metálica del resto de la atmósfera.

Figura 1.Sistema y entorno

De acuerdo a la interacción con el medio, los sistemas pueden clasificarse en:

• Abiertos: intercambian materia y energía

• Cerrados: intercambian energía y no materia

• Aislados: no intercambian ni energía ni materia con el medio

Figura 2. Tipos de sistemas

Una de las propiedades termodinámicas de un sistema es su energía interna, E, que consta de la suma de las energías cinética y potencial de las partículas que forman el sistema. La energía interna de un sistema puede entenderse examinando el sistema más simple posible: un gas ideal. Dado que las partículas de un gas ideal no interactúan, este sistema no tiene energía potencial. La energía interna de un gas ideal será entonces la suma de las energías cinéticas de las partículas que lo constituyen debido a su movimiento aleatorio. La teoría cinético molecular supone que la temperatura absoluta de un gas es directamente proporcional a la energía cinética promedio de las partículas. Por lo tanto, la energía interna de un gas ideal es directamente proporcional a la temperatura absoluta.

Por ejemplo para un gas monoatómico:

Donde R es la constante de los gases ideales (8,31 J/K mol)

La energía interna de sistemas más complejos que el gas ideal no pueden medirse directamente, pero la energía interna del sistema sigue siendo proporcional a su temperatura.

Supongamos que un termómetro sumergido en un recipiente que contiene agua marca 83ºC. Esta medida sólo puede describir el estado del sistema en cierto instante y no dice nada sobre si el agua fue calentada directamente desde temperatura ambiente hasta 83ºC o si fue primero calentada hasta 100ºC y luego se le permitió enfriarse hasta 83ºC. Por lo tanto, la temperatura es una función de estado, dado que depende sólo del estado del sistema en un instante y no del camino seguido para llevar al sistema a ese estado.

Como la energía interna de un gas ideal es proporcional a la temperatura, la energía interna también es una función de estado. Cualquier cambio de energía interna del sistema es igual a la diferencia entre sus estados inicial y final.

La termodinámica tiene como objetivo entender las interacciones entre los fenómenos mecánicos, térmicos y químicos. Por ello se puede definir como la ciencia que estudia todas las transformaciones o conversión de unas formas de energías en otras y también la transmisión o transferencia de determinada clase de energía. Podria decirse que trata del calor y del trabajo, pero por extensión, de todas aquellas propiedades de las sustancias que guardan relación con el calor y el trabajo

La termodinámica se desarrolla a partir de cuatro principios o leyes:

• Principio cero: permite definir la temperatura como una propiedad

• Primer principio: define el concepto de energía como magnitud conservativa

• Segundo principio: define la entropía como orden de los sistemas; se usa en termoquímica.

Energía

Palabra griega que significa fuerza en acción, o capacidad para producir trabajo, es el protagonista principal de la disciplina de la Termodinámica que pretendemos estudiar.

La energía libre termodinámica es la cantidad de trabajo que un sistema termodinámico puede realizar. El concepto es útil en la termodinámica de procesos químicos o térmicos en la ingeniería y en la ciencia. La energía libre es la energía interna de un sistema, menos la cantidad de energía que no puede ser utilizada para realizar trabajo. Esta energía no utilizable está dada por la entropía de un sistema multiplicada por la temperatura absoluta del sistema.

Al igual que la energía interna, la energía libre es una función de estado termodinámica.

Trabajo

La termodinámica define el trabajo de la siguiente manera:

Trabajo es una interacción entre dos sistemas tal que cualquier cambio en cada sistema y su entorno podría haberse producido, exactamente, con el único efecto externo a ese sistema, del cambio en la altura de una masa en un campo gravitatorio.

Es decir, un sistema realiza un trabajo sobre su entorno si los efectos de la interacción pueden reducirse exclusivamente al levantamiento o reducción de altura de un peso.

El trabajo es, por definición, una interacción: por tanto, requiere al menos de dos sistemas. En consecuencia, no hay trabajo si solo se considera un sistema (sistema aislado). No todas las interacciones son en forma de trabajo. Para que una interacción se considere que es trabajo debe pasa el test expresado en la definición.

Calor

El calor no es una nueva forma de energía, es el nombre dado a una transferencia de energía de tipo especial en el que intervienen gran número de partículas. Se denomina calor a la energía intercambiada entre un sistema y el medio que le rodea debido a los choques entre las moléculas del sistema y el exterior al mismo y siempre que no pueda expresarse macroscópicamente como producto de fuerza por desplazamiento.

Se debe distinguir también entre los conceptos de calor y energía interna de una sustancia. El flujo de calor es una transferencia de energía que se lleva a cabo como consecuencia de las

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