Oscar Cerda A., Ph.D.

Programa de Biologa Celular y Molecular, Facultad de Medicina Universidad de Chile

Termodinmica Curso Qumica General y Orgnica

Carrera de Medicina

Termodinmica en sistemas biolgicos

Puede predecir la secuencia de eventos?

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Termo dinmica Termodinmica

Calor movimiento

Ciencia que estudia la conversin del calor y de otras formas de energa.

Tipos de energa: qumica, potencial, radiante, trmica, etc...

Estudia los cambios de estado de un sistema, basada en propiedades macroscpicas.

Termodinmica

Cmo podemos caracterizar un proceso?

Podemos predecir si un proceso ocurrir espontneamente?

Tpicos

Sistemas, caminos y procesos Funciones de Estado Temperatura, Calor y Energa Trabajo Primera Ley de la Termodinmica Entalpa Entropa Tercera Ley de la Termodinmica Segunda Ley de la Termodinmica Energa Libre de Gibbs y espontaneidad

Definiciones y conceptos

Sistema: parte especfica del Universo de nuestro inters. Para separarlo del resto del universo, consideremos que la reaccin/proceso de inters ocurre en un sistema definido por un lmite.

Sistema Lmite

Entorno/alrederores

Definiciones y conceptos

Sistema IntercambioAbierto Masa y energa

Cerrado Energa

Aislado Nada

Segn la permisividad de intercambio entre el sistema y su entorno:

Qu tipo de sistemas son?

El Universo

Definiciones y conceptos

m

E

Los seres vivos son sistemas abiertos que intercambian materia y energa con el ambiente.

Recuerde: La clula es un sistema ABIERTO!!!!!!!!!!!!!

Procesos y Caminos

Estado 1

Estado 2

Camino 1

Camino 2

Procesos y Caminos

Estado 2

Estado 1

P2

P1

V2 V1

P

VEstado 1

Estado 2 Camino 1

Camino 2

Camino 1

Camino 2

Llamaremos proceso al cambio entre dos estados (isotrmicos, isocricos, isobricos, adiabticos)Llamaremos camino al cmo realizamos ese cambio entre los dos estados.

Las propiedades del sistema son los atributos macroscpicos que se pueden medir o calcular: masa, volumen, presin, temperatura, energa, calor, etc.Las propiedades (funciones) de estado son aquellas propiedades determinadas por el estado del sistema, independientemente de la manera por la cual se ha llegado a ellas (camino).

Ej: T, P, V, E, n, etc.

Estado 1

Estado 2

Definiciones y conceptos

Definiciones y conceptos

Las propiedades del sistema son los atributos macroscpicos que se pueden medir o calcular: masa, volumen, presin, temperatura, energa, calor, etc.Las propiedades (funciones) de estado son aquellas propiedades determinadas por el estado del sistema, independientemente de la manera por la cual se ha llegado a ellas (camino).

Propiedades intensivas: son independientes del tamao/cantidad de materia del sistema (Ej: T, P, d, etc).

Propiedades extensivas: dependen del tamao/cantidad de materia del sistema (Ej: m, V, n, etc)

Cada cambio en el estado del sistema queda caracterizado por los valores de las funciones de estado (T, V, P, n, E, etc.) de ese estado particular:

T1, V1, P1, n1, E1Estado 2

Estado 3

Estado 1

Estado Z

T2, V2, P2, n2, E2

T3, V3, P3, n3, E3TZ, VZ, PZ, nZ, EZ

Estado 2

Estado 1

(V2, P2)

(V1, P1)

P2

P1

V2 V1

P

V

Definiciones y conceptos

Resumen

1. Los sistemas son la regin del universo que interesa estudiar.

2.Los sistemas pueden ser abiertos, cerrados o aislados segun sea su lmite.

3. Los sistemas se describen a travs de sus propiedades macroscpicas, que llamamos propiedades o funciones de estado.

4. Los procesos se caracterizan por los valores de los cambios en las propiedades de estado

Energa Interna de un sistema (E)

Energa interna (E) de un sistema es la capacidad potencial de hacer trabajo. Depende de la T del sistema!!!!!!

Unidades: J, cal, kcal.

Es una funcin de estado!!!!!!!

Dado que la energa interna de un sistema est compuesta por:

+Energa cintica (movimiento: rotacin, vibracin) de molculas y tomos.

+Energa potencial (interaccin: fuerzas inter/intramoleculares) de molculas y tomos.

Ei= E de un sistema en estado inicialEf= E de un sistema en estado final

Cmo podemos variar E de un sistema?

Cargada Descargada

Motor

Qu pasa en ?

Qu pasa en ?

Cmo podemos variar E de un sistema?

Cargada Descargada

Motor

Qu pasa en ?

Transferencia de calor

Qu sucede????

T= 310 K T= 300 KT= 298 K T= 300 K

Definamos Temperatura

T1 T2 T3

Si T1=T2 y T2=T3, entonces T1=T3

Ley Cero: Ley del equilibrio trmico

T= 310 K

Transferencia de calor

T= 300 KT= 298 K T= 300 K

Tiene unidades de Energa!!!!!!!NO es funcin de estado!!!!!!

La temperatura de un sistema es una propiedad macroscpica que refleja la intensidad del movimiento molecular.

Calor es la transferencia de energa que se produce cuando hay una diferencia de temperatura entre dos cuerpos.

-q

Cargada Descargada

Motor

Qu pasa en ?

Cmo podemos variar E de un sistema?

Trabajo (w)

donde, w=trabajo, F=fuerza y d=distanciaErgo...

donde, w=trabajo, P=presin externa yV=volumen (definicin de trabajo mecnico)

Como ud. recordar,

Diremos que ha ocurrido un trabajo cuando el sistema o los alrededores cambiaron durante el proceso mediante desplazamiento o cambio de lugar de manera no espontnea.

Tiene unidades de Energa!!!!!!!

Estado 2

Estado 1

P2

P1

V2 V1

P

V

Camino 1

Camino 2

w1

w2

NO es funcin de estado!!!!!!

Trabajo (w)

Son w1 y w2 iguales?

NO!!!!!!

Cmo podemos variar E de un sistema?

Cargada Descargada

Motor

+etc+ Qumico

Calor (q)

+MecnicoExpansin+ Elctrico

Trabajo (w)

E total

Proceso Signo

Trabajo realizado por el sistema sobre el entorno -Trabajo realizado sobre el sistema por el entorno +

Calor absorbido por el sistema desde el entorno (proceso endotrmico) +

Calor absorbido por el entorno desde el sistema (proceso exotrmico) -

...es decir, la E total del universo es constante

+q-q

+w-w

E

Primera Ley: La energa se conserva

Calor a V constante Supongamos que una reaccin o proceso ocurre a V constante:

Entonces:

Luego:

y por ende, w=0

Pero esto no siempre es posible ni conveniente, dado que no todas las reacciones ocurren a V constante.

Entalpa (H)

Realicemos la reaccin/proceso a P constante:

Entonces:

Definamos una nueva Funcin de Estado, Entalpa (H):

Entonces, la variacin de Entalpa (H) es igual al calor disipado por un proceso a P constante, definida por:

Ahora podemos medir las variaciones en E y H.En el caso de los lquidos y los slidos, 0, por lo que =

Unidades de Energa!!!!!!!!

Es una funcin de estado!!!!!!!

Entalpa de formacin

Entalpa de formacin: Es la entalpa generada/absorbida durante la formacin de un compuesto a partir de sus elementos

Ej:

0 0

(-393.5 kJ/mol) - 0 + 0

Recuerde: El cambio de entalpa refleja los cambios de energa asociados a la formacin y ruptura de enlaces.

Recuerde: La Entalpa de formacin de un elemento en su forma ms estable es cero

Entalpa de las reacciones qumicas

Reactantes Productos

H (Productos)- H (Reactantes)

el sistema absorbe calor del entorno (Endotrmica)el sistema libera calor hacia el entorno (Exotrmica)

Ley de Hess: el cambio de Entalpa de una reaccin es igual si se lleva en uno o ms pasos.

Ej:

Recuerde: Entalpa es funcin de estado!!!!!!!!!!!

Entalpa de formacin

Ley de Hess: el cambio de Entalpa de una reaccin es igual si se lleva en uno o ms pasos.

Ej:

Recuerde: Entalpa es funcin de estado!!!!!!!!!!!

Entalpa de formacin

Resumen

1. Los sistemas son la regin del universo que interesa estudiar.

2.Los sistemas pueden ser abiertos, cerrados o aislados segun sea su lmite.

3. Los sistemas se describen a travs de sus propiedades macroscpicas, que llamamos propiedades o funciones de estado.

4. Los procesos se caracterizan por los valores de los cambios en las propiedades de estado.

5. La Energa Interna de un sistema aislado es constante.

Reaccin espontnea

Procesos espontneos y no espontneos

Expansin de un gas en el vaco

Equilibrio trmico

Distribucin de un soluto en una solucin

Procesos espontneos y no espontneos

Expansin de un gas en el vaco

Equilibrio trmico

Distribucin de un soluto en una solucin

Es posible volver al estado inicial por una simple reversin?

Respuesta: NO... Estos procesos ocurren con una sola direccin en las condiciones mostradas

Ahora...cmo podemos predecir la direccionalidad de un proceso?

Procesos espontneos y no espontneos

Aaaaaaaaaalto!!!!!!!!!!!!!

Que un proceso sea espontneo NO (repito NO) significa que ocurra de manera instantnea!!!!!!!!!!!!!

Es la E la que determina la direccionalidad/espontaneidad de un proceso?

Si los procesos espontneos NO siempre disminuyen E, entonces, Cmo podemos predecir la espontaneidad de un proceso?

Respuesta: NO!!!!!!!

Espontneo

EspontneoQue???????

Introduzcamos una nueva funcin de Estado: La Entropa

Espontneo

Qu tienen en comn estos procesos?

En todos estos procesos el estado final tiene un mayor grado de desorden.

Entropa (S)

En todos estos procesos el estado final tiene un mayor grado de desorden.

Qu tienen en comn estos procesos?

Llamaremos Entropa (S) a dicho grado de desorden o dispersin en un sistema.

En todos estos procesos el nmero de microestados moleculares de los estados finales, es mayor.

Entropa (S)

S. Carnot (1826) demostr matemticamente que todos los sistemas tienen la propiedad de estado que llam Entropa.

-Si el volumen del sistema aumenta, su entropa aumenta

-Si la temperatura del sistema aumenta, su entropa aumenta.

-Si el nmero de molculas del sistema aumenta, su entropa aumenta.

Entropa (S)

S = k ln Wdonde k= 1.38x10-23 J K-1, constante de Boltzmann

W: nmero de microestados/maneras de distribuir las molculas de un sistema

Entropa (S)

S = k ln Wdonde k= 1.38x10-23 J K-1, constante de Boltzmann

W: nmero de microestados/maneras de distribuir las molculas de un sistema

Recuerde, es una Funcin de Estado!!!!!!

... ...

Podemos predecir el signo de S?

N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) -199 J/K mol

Tercera Ley: la Entropa de un cristal perfecto a 0 K es 0

En un cristal perfecto a 0 K:

T= 0 K

T

S

Tercera Ley: la Entropa de un cristal perfecto a 0 K es 0 Ahora, podemos tener valores absolutos entropa de las sustancias!!!!!!!!!!, ya que:

Entonces, qu hace que estos procesos ocurran?????

Ahora, en la segunda ley de la Termodinmica...

Segunda Ley: La Entropa del Universo va en aumento

Para un proceso espontneo:

Para un proceso en equilibrio:

Relacin entre Entropa y Entalpa de sistemas y alrededores

Recuerde que S tiene unidades de Energa/Temperatura!!!!!!!

Entonces, cmo podemos predecir la espontaneidad de un proceso desde nuestro sistema en estudio???

Para un proceso espontneo:

Entonces, para un proceso espontneo:

Tambin conocida como (multiplicando la expresin por -T):

Condicin de espontaneidad: La combinacin matemtica de la primera y segunda Ley predice que en cualquier proceso espontneo en cualquier sistema debe cumplirse que

Energa Libre de Gibbs (G)

Para simplificar este criterio, definamos:

Ergo:

Tiene unidades de Energa!!!!!!!

Es la Energa de un sistema disponible para hacer un trabajo (a T constante).

Es funcin de estado!!!!!!

Energa Libre y espontaneidad

=

Proceso espontneo (Exergnico)

Proceso no espontneo (Endergnico)

Sistema en equilibrio

Criterios de espontaneidad: