Sistemas Termodinámicos
Sistema Termodinámico: Una cantidad de materia o una región del espacio seleccionado para su estudio.
Sistema Cerrado: No entra ni sale materia (masa control).
Sistema Abierto: Entra y sale materia (volumen control).
Sistema Aislado: No hay intercambio de materia o energía con el entorno.
Medio Ambiente del Sistema: A todo aquello que no está en el sistema pero puede influir en él.
Estado del Sistema
- Estado inicial del sistema
- Estado final del sistema
- Trayectoria del proceso
Variables de Estado
Función de Estado: Es una magnitud física microscópica que caracteriza el estado de un sistema en equilibrio (variables en estado gaseoso), masa, volumen, presión, atmósfera, temperatura.
Gas Ideal: Cuando está en equilibrio.
Variable Extensiva: Es una magnitud cuyo valor es proporcional al sistema que describe.
Variable Intensiva: No depende del tamaño ni la cantidad de materia en el sistema (temperatura, presión).
Tipos de Sistemas
Homogéneo: Propiedades idénticas en el sistema (1 fase).
Heterogéneo: Propiedades no idénticas en el sistema, varias fases de separación (interfase).
Tipos de Equilibrio
Equilibrio Térmico: Temperatura misma en todo el sistema.
Equilibrio Químico: Si su composición química no cambia con el tiempo y no hay reacciones.
Equilibrio Mecánico: No hay movimientos en el sistema.
Procesos Termodinámicos
Proceso Reversible: Los cambios en las funciones de estado son infinitesimales.
Proceso Irreversible: Desde el inicio y el final no se conocen los valores de la función en los puntos intermedios.
Proceso Isotérmico: Temperatura constante (calor).
Proceso Isobárico: La presión permanece constante.
Proceso Isócoro: Volumen constante, función del estado.
Proceso Adiabático: El sistema está aislado de su ambiente, calor constante, función de trayectoria.
Leyes de la Termoquímica
Leyes de la Termoquímica: Determinación de los cambios de energía en determinadas reacciones mediante el uso de la calorimetría. Deducción de los cambios de entalpía en un sistema, aún cuando estos no pueden conocerse por una medición directa. Análisis de las transferencias de calor producidas experimentalmente cuando se forman compuestos organometálicos con metales de transición.
Primera Ley de la Termodinámica
Conservación de la energía: Calor y energía interna (U) como transferencia de energía. La variación de energía interna de un sistema está dada por la diferencia de su estado inicial y final.
ΔU = ΔQ + W
- ΔU: Variación de energía interna
- ΔQ: Suma de calor
- W: Trabajo realizado por el sistema
– Si el sistema absorbe o recibe calor, ΔQ es positivo; si pierde calor es negativo.
– Cuando el trabajo lo realiza el sistema, W es positivo; si es sobre el sistema es negativo.
– Si la energía interna del sistema aumenta, ΔU es positivo; si disminuye es negativa.
Entalpía (H)
Entalpía: La energía liberada en forma de calor en una reacción. Es una función de estado, luego su variación sólo depende de las condiciones iniciales y finales y de la manera en que se llevó a cabo la transformación termodinámica.
ΔH = ΔU + P * V
- U: Energía interna
- P: Presión del sistema
- V: Volumen del sistema
– Si H es mayor de 0, la reacción es endotérmica.
– Si H es menor de 0, la reacción es exotérmica.
Tipos de Entalpía
- De formación
- De reacción
- De combustión
- De enlace
Entalpía de Reacción
Es igual a la diferencia entre las sumas de las entalpías de formación correspondientes al número de moles de productos menos la suma de las entalpías de formación correspondientes al número de moles de reactivos.
Entalpía de reacción = [(moles) (entalpía de producto)] – [(moles) (entalpía de reactivos)]
Ley de Hess
Permite tratar las ecuaciones termoquímicas como reacciones algebraicas.
Reglas
- Si la ecuación es invertida, el signo de ΔH también se invierte.
- Si los coeficientes son multiplicados, también multiplicamos el ΔH por el mismo factor.
- Si los coeficientes son divididos, también dividimos el ΔH por el mismo factor.
- De preferencia eliminar por compuestos.
Segunda Ley de la Termodinámica
Indica la dirección en que se llevan a cabo las transformaciones energéticas.
Entropía (S)
Entropía: Mide el grado de desorden de un sistema.
– Si es positiva, es una reacción exotérmica.
– Si es negativa, es una reacción endotérmica.
ΔS = S productos – S reactivos | J/mol * K
- ΔS > 0: El proceso puede ocurrir, espontáneo e irreversible.
- ΔS < 0: El proceso es improbable, no es espontáneo.
- ΔS = 0: El proceso es reversible, puede ocurrir en ambas direcciones.
Energía Libre de Gibbs (G)
Energía Libre de Gibbs: La energía liberada por un sistema para realizar trabajo útil a presión constante.
ΔG = ΔH – TΔS
- ΔG < 0: La reacción es espontánea en el sentido establecido.
- ΔG > 0: La reacción no es espontánea en el sentido establecido.
- ΔG = 0: El sistema está en equilibrio.
La energía estándar de reacción es el cambio de la energía estándar de productos menos el cambio de la energía estándar de reactivos.
ΔG reacción = ΔG productos – ΔG reactivos
Oxidación y Reducción
Oxidación: Pérdida de electrones, quien los pierde se dice que se ha oxidado.
Reducción: Ganancia de electrones, quien los acepta se dice que se ha reducido.
Características de Reacciones Químicas Espontáneas
- Favorece la formación de productos en las condiciones bajo las cuales se produce la reacción.
- Una vez que la reacción inicia, transcurre por sí misma, sin un aporte energético externo, hasta que se agotan los reactivos o se agota el reactivo limitante.
- Irreversibles: No pueden revertir sin un aporte energético externo, los productos no se recombinan espontáneamente para dar de nuevo los reactivos.
- Para determinar la espontaneidad de una reacción química se utiliza la variable termodinámica de la entropía.
Batería Eléctrica
Es un artefacto compuesto por celdas electroquímicas capaces de convertir la energía química en su interior en energía eléctrica mediante la acumulación de corriente alterna. Poseen una capacidad de carga determinada por la naturaleza de su composición y se mide en amperios-hora (Ah).
Tipos de Baterías
Primarias: Una vez producida la reacción no puede volver a su estado original, agotando su capacidad de almacenar corriente eléctrica.
Secundarias: Pueden recibir una inyección de energía eléctrica para restaurar su composición química original, pudiendo así ser empleada numerosas veces antes de agotarse totalmente.