DEPARTAMENTO DE QUIMICASECTOR: QUIMICA MODULO Nivel/curso: TERCERO MEDIO

PROFESOR-Mara Isabel Cayupil Ruiz Plazo: 2 SEMANAS

UNIDAD TEMTICA: LEYES DE LA TERMODINAMICA

CONTENIDO: ENTROPIA Y SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA

APRENDIZAJE ESPERADO: DESCRIBIR LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA Y

APLICAR EL CONCEPTO DE EFICIENCIA TERMICA

Gua de Aprendizaje 2 (3medio electivo) 2 SemestreINSTRUCCIONES:

Lee atentamente el documento y sus ejemplos respectivos

Apyate en la pg. Web de Wikipedia

Desarrolla los ejercicios de la gua en el espacio asignado.- Para comparar tu respuesta con las correctas, debes ennegrecer donde dice RESP:

No olvides enviar actividad de evaluacin en la fecha indicada. LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICALos primeros intentos de formular leyes cuantitativas para los procesos irreversibles en fsica fueron estimulados por el desarrollo de las mquinas a vapor.- Durante los siglos XVII y XIX, fue aumentando continuamente la eficiencia de las mquinas a vapor.- En 1824 un joven ingeniero francs, Sadi Carnot, public un breve libro titulado reflexiones acerca de la potencia motora del fuego, en que se planteaba la pregunta de cul es la mxima eficiencia que puede alcanzar una maquina a vapor. Mediante un ingenioso anlisis, Carnot demostr que hay una eficiencia mxima, siempre menor de100%.- Hay un lmite para la cantidad de energa mecnica que puede obtenerse de una cierta cantidad de calor mediante el empleo de una mquina trmica, y este lmite no puede ser sobrepasado, independientemente de la sustancia que se utilice (vapor, aire, o cualquiera otra).-El anlisis de las mquinas trmicas que hizo Carnot muestra que el proceso de igualacin de temperaturas por flujo de calor de los cuerpos calientes a los cuerpos fros representa una cierta prdida de las posibilidades de obtener energa mecnica.- Esto lo que queremos decir cuando hablamos de que la energa se degrada o se disipa; la cantidad total de energa es siempre la misma, pero la energa tiende a transformarse en formas cada vez menos tiles.-

Tras el descubrimiento de la ley de conservacin de la energa, las conclusiones de Carnot acerca de las mquinas trmicas fueron incorporadas en la teora del calor y llegaron a ser conocidas como la segunda ley de la termodinmica.- Esta ley ha sido formulada de varias maneras, todas las cuales son equivalentes y expresan la idea de que la tendencia del calor a fluir de los cuerpos calientes a los cuerpos fros hace imposible transformar una cierta cantidad de calor ntegramente en energa mecnica.En 1852, Lord Kelvin generaliz la segunda ley de la termodinmica afirmando que existe una tendencia universal en la naturaleza hacia la disipacin de la energa.

MAQUINA TERMICASon dispositivos que transforman energa y enParticular energa trmica en trabajo mecnico. A grandes rasgos, una mquina trmica extrae Una cantidad de calor Q1 de una fuente a unaTemperatura T1 y cede una menor cantidad de calor,Q2 ,a una fuente de menor temperaturaT2 , produciendo un trabajo W.-En nuestros das seguimos haciendo uso de las mquinas trmicas como la turbina de vapor con que se produce energa elctrica a partir de la combustin de carbn o gas natural.-NOTA: para mayor informacin puedes dirigirte a es.wikipedia.org/wiki/ciclo de CarnotSe define eficiencia trmica como: = Wtil o = Q1 Q2 o = T1 - T2 Q1 Q 1 T 1 Ej: una mquina trmica posee una fuente fra a una temperatura de 10C y la fuente caliente a una temperatura de 170C.- Cul es la eficiencia trmica de la mquina?

RESOLUCION: Recuerda que: T(K) = t(C) + 273,151.- necesariamente hay que transformar C a K ya que en termodinmica se emplea la escala absoluta. Por tanto t1 = 170C T1 = 443,15 K t2 = 10C T2 = 283,15 K2.- reemplazando = 443,15 283,15 443,15 = 36,1% PREGUNTAS (Para verificar tus respuestas, debes oscurecer el espacio correspondiente) :a.- Qu sucedera con la mquina trmica si se igualaran las temperaturas de la fuente caliente y la fuente fra? RESP: la mquina trmica no funcionara, por tanto es imprescindible que la fuente fra se mantenga a menor temperatura.b.- En qu condiciones tericas se obtendra con esta mquina un rendimiento de 100%?RESP: slo si la temperatura de la fuente fra sea de 0K, y en stas condiciones la mquina trmica tendra un rendimiento de 100% a cualquier temperatura de la fuente caliente.-Desde el siglo pasado se defini una nueva variable, la entropa, como una medida del grado de dispersin de la energa.- Se plante desde entonces un enunciado ms de la segunda ley de la termodinmica: la entropa del universo aumenta en el curso de todo proceso natural.-La segunda ley se ha confirmado en todo momento, pero hay que subrayar que se refiere a la entropa del universo, es decir, a la del sistema en estudio ms la de sus alrededores.- Tal vez podamos disminuir la entropa en un sistema, pero ser a cambio de que la de los alrededores se incremente an ms.- Toda accin que logre concentrar energa en algn lugar del espacio habr tenido que dispersar una cantidad mayor de energa en otro lugar.- La entropa del universo siempre crece; si logramos que la entropa disminuya localmente, siempre aumentar en una proporcin mayor en otra parte.- La humanidad est conservando la energa, pero est produciendo demasiada entropa y con ello disminuye la disponibilidad de energa. LA ENTROPIA COMO CRITERIO DE ESPONTANEIDADSe acostumbra utilizar el smbolo S para la entropa.- Pensemos en un sistema aislado de sus alrededores, de manera que no pueda haber una entrada o salida de materia, calor o trabajo.- qu sucede con la entropa durante la ocurrencia de un proceso en ese sistema? .- Hay tres alternativas, segn nos muestra la siguiente tabla:

SfinalSinicialS 0El proceso puede ocurrir

Es espontaneo e irreversible

SfinalSinicial

S 0El proceso es en extremo improbable

Nunca ocurrir, luego no es espontaneo

Sfinal Sinicial

S = 0El proceso es reversiblePuede ocurrir en ambas direcciones

Si pudiramos cuantificar la entropa de los sistemas, seramos entonces capaces de determinar si ciertos procesos podran ocurrir espontneamente, si serian imposibles de realizar o si seran reversibles.- Esto nos servira para no intentar llevar a cabo reacciones que simplemente nunca se presentan.-EL VALOR DE LA SEGUNDA LEY ES QUE PERMITE PREDECIR CUALES PROCESOS OCURRIRAN Y CUALES NOPero, cmo cuantificar la entropa?- La respuesta es simple a fin de cuentas, pero requiere la presentacin de un ejemplo, que ser con bolitas de color negro y blancas.- Observa los estados iniciales y finales de los procesos de la ilustracin

Los estados finales de ambos procesos son iguales y representan un estado de mximo desorden en el que hay el mismo de bolitas de ambos colores en cada plano.- Sin embargo, el proceso (a) parti del orden perfecto, y el (b) ya tena un cierto desorden inicial.- Por tanto en el proceso (a) se presenta una dispersin mayor; es ms entrpico que (b), o sea que Sa Sb .- esto implica que la entropa inicial del proceso (a) tiene que ser menor que la de (b),puesto que sus estados finales son iguales.- Como conclusin de este smil tenemos que: LA ENTROPIA DE LOS SISTEMAS CON MAS ORDEN MOLECULAR ES MENOR DE LOS DESORDENADOS

Un corolario natural, que ya no tiene que ver con las bolitas, es que la entropa de una sustancia slida tiene que ser menor que la de la misma sustancia lquida y esta entropa tambin ser menor que la del gas pues, desde el punto de vista molecular, la slida es una fase ms ordenada que la lquida y sta que la gaseosa.- As, para la misma sustancia, tenemos Sslido S lquido SgaseosoLos siguientes datos corresponden a 1mol de agua en diferentes estados de agregacin y muestran como la entropa crece con el cambio de estado:

H2 O (s) H 2 O (l) H 2O (g)S(J/K MOL) 4570190La siguiente tabla muestra los valores de entropa a 298 K en J / mol K SOLIDOS LIQUIDOS GASEOSOS

C(grafito) 5,7H2O 70,0H2 130,6

Fe 27,3Hg 76,0N2 192,1

Cu 33,1C2H5OH 160,7O2 205,0

Fe2O3 87,4C6H6 173,3CO2 213,6

Al tener los gases una entropa mucho mayor que los otros dos estados de la materia, la formacin de gases en una reaccin qumica contribuir a la espontaneidad del proceso.- Por el contrario, si desaparecen gases durante la reaccin, ello contribuir a que la reaccin no sea espontanea.-

Ej: Es espontanea la oxidacin del monxido de carbono (CO) a dixido de carbono (CO2)?

De acuerdo a:

CO(g) + O2(g) CO2(g)

Sustancia S (J/KMOL)

CO 197,9

CO2 213,6

O2 205,0RESOLUCION:1.- para determinar la espontaneidad de la reaccin es necesario conocer el S de la reaccin

2.- el valor de S se determina a partir de los datos de S de reactantes y productos: Sreaccin = Sproductos - Sreactantes3.- reemplazando Sreaccin = 213,6 - (197,9 + 205,0) S = - 96,8 (J/KMOL)4.- de acuerdo al valor obtenido el proceso es en extremo improbable; nunca ocurrir, luego no es espontaneo.

ACTIVIDAD DE EVALUACION

Para las siguientes reacciones, determine el valor de S de cada reaccin y complete la siguiente tabla colocando el signo X donde corresponde.- (3 puntos cada ejercicio).-

NO olvide anotar el procedimiento matemtico.-a) H2(g) + O2(g) 2 H2O(l)b) C(graf.) + O2(g) C O2(g)

c) 2 C(graf.) + 3 H2(g) + O2(g) C2H5OH(l) Sreaccin(J/kmol)espontaneaNo espontanea

a)

b)

c)

RUBRICA

MUY BUENO

Demuestra dominio del contenido al responder correctamente el S de la reaccin anotando el procedimiento matemtico e infiere si la reaccin ocurre o no.-Puntos: 3 BUENO

Demuestra un nivel de comprensin del contenido al responder las preguntas pero no infiere correctamente en todas las preguntas o no anota el procedimiento matemtico.-Puntos: 2 SUFICIENTE

Demuestra un dominio suficiente del contenido, pero los valores obtenidos no son correctos y no infiere correctamente en todas las preguntasPuntos: 1

NECESITA APOYONo domina el contenido o no responde.-

Puntos: 0

9 puntos = 100% INCLUDEPICTURE "http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/cf/Carnot_engine_scheme.svg/460px-Carnot_engine_scheme.svg.png" \* MERGEFORMATINET

Esta actividad debe ser enviada al correo descrito al inicio de la gua, antes del 31 de Octubre del 2011 hasta las 16 horas Las consultas solo EN LA PARROQUIA ITALIA