Hermeneutica

Termodinámica

Objetivo:

El alumno determinara con los datos obtenidos en el laboratorio el trabajo desarrollado en el Proceso Termodinámico.

Introducción Teórica:

Termodinámica

La termodinámica es una parte de la física con aplicaciones tan importantes en la química. Una de las manifestaciones más importantes que se nos presenta en la naturaleza es la energía que acompaña a todos los fenómenos.

Se denomina energía interna del sistema a la suma de las energías de todas sus partículas. En un gas ideal las moléculas solamente tienen energía cinética, los choques entre las moléculas se suponen perfectamente elásticos, la energía interna solamente depende de la temperatura.

Las propiedades de un sistema se dividen en intensivas y extensivas.

PROPIEDADES INTENSIVAS: Son aquellas que no dependen de la cantidad de masa contenida en el sistema, por ejemplo: densidad, presión, temperatura, viscosidad, etc.

PROPIEDADES EXTENSIVAS: Son aquellas que dependen de la cantidad de masa contenida en el sistema, por ejemplo: energía, volumen, masa, etc.

De la misma manera la energía se divide en dos: energía cinética y energía potencial.

ENERGIA POTENCIAL: Es la energía que posee un cuerpo en virtud de su disposición con otros cuerpos.

ENERGIA CINETICA: Es aquella que posee cualquier cuerpo en movimiento.

Leyes de la Termodinámica

Primera Ley de la Termodinámica

También conocida como principio de conservación de la energía para la termodinámica, establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien éste intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará.

Visto de otra forma, esta ley permite definir el calor como la energía necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y energía interna.

La ecuación general de la conservación de la energía es la siguiente:

Que aplicada a la termodinámica teniendo en cuenta el criterio de signos termodinámico, queda de la forma:

Donde U es la energía interna del sistema (aislado), Q es la cantidad de calor aportado al sistema y W es el trabajo realizado por el sistema.

Segunda Ley de la Termodinámica

Esta ley marca la dirección en la que deben llevarse a cabo los procesos termodinámicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario (por ejemplo, que una mancha de tinta dispersada en el agua pueda volver a concentrarse en un pequeño volumen).

También establece, en algunos casos, la imposibilidad de convertir completamente toda la energía de un tipo en otro sin pérdidas. De esta forma, la segunda ley impone restricciones para las transferencias de energía que hipotéticamente pudieran llevarse a cabo. Esta ley apoya todo su contenido aceptando la existencia de una magnitud física llamada ENTROPÍA, de tal manera que, para un sistema aislado (que no intercambia materia ni energía con su entorno), la variación de la entropía siempre debe ser mayor que cero.

Debido a esta ley también se tiene que el flujo espontáneo de calor siempre es unidireccional, desde los cuerpos de mayor temperatura hacia los de menor temperatura, hasta lograr un equilibrio térmico.

La diferencia entre los dos calores tiene su equivalente en el trabajo mecánico obtenido.

Procesos termodinámicos

Se dice que un sistema pasa por un proceso termodinámico, o transformación termodinámica, cuando al menos una de las coordenadas termodinámicas no cambia. Los procesos más importantes son:

Procesos isotérmicos: son procesos en los que la temperatura no cambia.

Procesos isobáricos: son procesos en los cuales la presión no varía.

Procesos isócoros: son procesos en los que el volumen permanece constante.

Procesos adiabáticos: son procesos en los que no hay transferencia de calor alguna.

Procesos diatérmicos: son procesos que dejan pasar el calor fácilmente.

Procesos isoentrópicos: procesos adiabáticos y reversibles. Procesos en los que la entropía no varía.

Calor

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 diferencias de temperatura. La energía interna es la energía que tiene una sustancia debido a su temperatura, que es esencialmente a escala microscópica la energía cinética de sus moléculas.

El calor se considera positivo cuando fluye hacia el sistema, cuando incrementa su energía interna. El calor se considera negativo cuando fluye desde el sistema, por lo que disminuye su energía interna.

Cuando una sustancia incrementa su temperatura de TA a TB, el calor absorbido se obtiene multiplicando la masa (o el número de moles n) por el calor específico c y por la diferencia de temperatura TB-TA.

Q=nc(TB-TA)

Cuando no hay intercambio de energía (en forma de calor) entre dos sistemas, decimos que están en equilibrio térmico.

Las moléculas individuales pueden intercambiar energía, pero en promedio, la misma cantidad de energía fluye en ambas direcciones, no habiendo intercambio neto. Para que dos sistemas estén en equilibrio térmico deben de estar a la misma temperatura.

Entropía

La entropía (simbolizada como S) es una magnitud física que, mediante cálculo, permite determinar la parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo. Es una función de estado de carácter extensivo y su valor, en un sistema aislado, crece en el transcurso de un proceso que se dé de forma natural. La entropía describe lo irreversible de los sistemas termodinámicos.

La palabra entropía procede del griego (ἐντροπία) y significa evolución o transformación.

Cero absoluto

Solo se pueden calcular variaciones de entropía. Para calcular la entropía de un sistema, es necesario fijar la entropía del mismo en un estado determinado. La tercera ley de la termodinámica fija un estado estándar: para sistemas químicamente puros, sin defectos estructurales en la red cristalina, de densidad finita, la entropía es nula en el cero absoluto (0 K).

Esta magnitud permite definir la segunda ley de la termodinámica, de la cual se deduce que un proceso tiende a darse de forma espontánea en un cierto sentido solamente. Por ejemplo: un vaso de agua no empieza a hervir por un extremo y a congelarse por el otro de forma espontánea, aún cuando siga cumpliéndose la condición de conservación de la energía del sistema (la primera ley de la termodinámica).

Desarrollo de la Práctica

Primera parte

Monte la jeringa como se indica en la figura (sin la pesa de plomo), anote el volumen inicial, a continuación ponga arriba del embolo la pesa de plomo, presione ligeramente y anote el volumen final (V2), a continuación quite la pesa de plomo y anote el nuevo volumen.

Tabla de datos

W=nRt*ln V_2/V_1 P_embolo=P_DF+(m*g)/A

P_DF=0.768736842 atm n=PV/RT

P_embolo=0.768736842atm+((8g*980 cm⁄s^2 )/(π*(0.91 cm)^2 ))=0.772711 atm

P_pesa=((384.7g*980 cm⁄s^2 )/(π*(0.91 cm)^2 ))=108.7225805 mmHg=0.143056atm

P_total=0.768736atm+0.143056=0.912792 atm

n=(0.77271 atm*0.015 Lt)/(0.082 (Lt-atm)/(mol-K)*295 °K)=4.7915〖5x10〗^(-4) moles

Cuestionario

Registre los datos obtenidos en el laboratorio.

PRIMERA PARTE

Proceso Isotérmico

T Ambiente=22°C

V1 7ml

V2 6ml

V3 8ml

SEGUNDA PARTE

Proceso Isobárico

V(cm³) T(°C)

V1=7ml=7cm³ Ambiente=22°C

V2=8.6ml=8.6cm³ 60°C

V3=9ml=9cm³ 80°C

V4=10ml=10cm³ 90°C

V5=10ml=10cm³ Ebullición=93°C

Considerando que en la primera parte la temperatura permanece constante, calcular el trabajo realizado en un proceso isotérmico,

W=nRTln(V2/V1)

W_(V_1 V_2 )=(4.7915〖5x10〗^(-4) moles)(1.987 cal/(mol-k))295 °K*ln(0.006lt/(0.007lt ))=-0.0432956 cal

W_(V_2 V_3 )=4.79155138〖5x10〗^(-4) (1.987 cal/(mol-k))295°K*ln(0.008lt/0.006lt)=0.0807925cal

Con los datos obtenidos en la segunda parte, calcular el trabajo realizado por el gas en cada una de las etapas. Como la presión permaneció constante:

W=P(Vf-Vi)

W_1=0.77271 atm(0.0086lt-0.007lt)=0.0012363atm*lt=0.029944cal

W_2=0.77271 atm(0.009lt-0.0086lt)=0.0003090atm*lt=0.007486 cal

W_3=0.77271 atm(0.010lt-0.009lt)=0.0012363atm*lt=0.029944cal

W_4=0.77271 atm(0.010lt-0.010lt)=0cal

∑▒〖W=W_T=w₁+w₂+w₃+w₄=0.067374 cal〗

Determine el trabajo total realizado por el gas.

(V5-V1)

W_t=0.77271 atm(0.010lt-0.007lt)=0.002318atm*lt= 0.0669841cal

Compare el punto 4 con el obtenido en el punto 3 (sumando los trabajos de cada una de las etapas). Si hay una diferencia indique porque.

Existe diferencia, pero solo son milésimas las que varían, esto puede ser debido a los decimales utilizados para hacer las conversiones de atm*lt a calorías, o simplemente, a la hora de medir los volúmenes experimentalmente hubo errores de paralaje.

Castillo Balderas Angélica Fernanda

2CM15

Observaciones

Durante el proceso de esta práctica, tuvimos inconvenientes ya que la temperatura no llego al punto de ebullición indicado (100°C), sino que solo llego a los 93°C.

Al igual que en las dos partes de la práctica, se nos complicó tomar adecuadamente los volúmenes, ya que hubo errores de paralaje.

La presión del embolo dependía de la temperatura.

Conclusiones

En esta práctica pudimos demostrar lo que es la primera ley de la termodinámica y el proceso isotérmico utilizando los trabajos en las dos partes de la práctica. En la primera parte nos dimos cuenta que hubo una compresión en el gas ya que en el primer resultado del trabajo calculado con los datos experimentales fue negativo. Mientras que en la segunda parte nos dimos cuenta que el trabajo permanece constante (ya sea calculando el trabajo total o sumando los trabajos calculados para cada uno de los volúmenes obtenidos) a pesar de que el volumen iba aumentando conforme aumentaba la temperatura del agua.

Bibliografía

QUIMICA 9° edición, AUTOR: Raymond Chang (Williams College), Editorial McGraw-Hill, Pag. 236-253

QUIMICA, Grogory R. Chapin, Pag. 123-142

Química para el nuevo milenio, Jonh William Hill

Página 204.

...