MATERIA Y ENERGÍA MATERIA Y ENERGÍA ARTESANOS DEL ARTESANOS DEL
MUNDOMUNDO““TERMODINÁMICA”TERMODINÁMICA”
Química: Química: Ciencia que estudiaCiencia que estudiala materiala materia y sus transformacionesy sus transformaciones
Recordar que:
Química: Química: Ciencia que estudiaCiencia que estudiala materiala materia y sus transformacionesy sus transformaciones
Enlace químico y estructura de la materia
Química: Química: Ciencia que estudiaCiencia que estudiala materiala materia yy sus transformacionessus transformaciones
Enlace químico y estructura de la materia
Químicageneral
¿Qué nos interesa de una reacción química?¿Qué nos interesa de una reacción química?
CONTENIDOCONTENIDO
1.- Conceptos básicos. Sistemas, variables y procesos.2.- Energía, calor y trabajo. 1er Principio de la Termodinámica.3.- Entalpía.
7.- Capacidad calorífica.
4.- Calor de reacción. Ley de Hess.5.- Entalpías estándar de formación.6.- Entalpías de enlace.
8.- Variación de la entalpía de reacción con la temperatura.
CONTENIDOCONTENIDO
1.- Conceptos básicos. Sistemas, variables y procesos.2.- Energía, calor y trabajo. 1er Principio de la Termodinámica.3.- Entalpía.
7.- Capacidad calorífica.
4.- Calor de reacción. Ley de Hess.5.- Entalpías estándar de formación.6.- Entalpías de enlace.
8.- Variación de la entalpía de reacción con la temperatura.
Fundamentos deTermodinámica
Termodinámica: Rama de la Física que estudia el calor, el trabajo,la energía y los cambios que ellos producen en los estados de los sistemas.
CONTENIDOCONTENIDO
1.- Conceptos básicos. Sistemas, variables y procesos.2.- Energía, calor y trabajo. 1er Principio de la Termodinámica.3.- Entalpía.
7.- Capacidad calorífica.
4.- Calor de reacción. Ley de Hess.5.- Entalpías estándar de formación.6.- Entalpías de enlace.
8.- Variación de la entalpía de reacción con la temperatura.
Termoquímica: Rama de la Química que estudia el calor cedidoo absorbido en las reacciones químicas.
Aplicación areacc. químicas:Termoquímica
¿Qué recordamos de materia y energía?
• Materia: Es todo aquello que nos rodea, ocupa un lugar en el espacio, posee masa y volumen.
• Energía: Es lo que provoca cambio en la materia. Capacidad que posee un sistema para realizar un trabajo o para suministrar calor
¿cómo delimitamos nuestra investigación en una reacción
química?
• Conociendo los siguientes conceptos:
- El sistema
- El límite
- El entorno
- Proceso : es el fenómeno a estudiar
UNIVERSO
CONCEPTOS BÁSICOS.CONCEPTOS BÁSICOS.SISTEMAS, VARIABLES Y PROCESOS.SISTEMAS, VARIABLES Y PROCESOS.11
Sistema: Parte del universo que es objeto de estudio.Entorno, alrededores, medio ambiente: Resto del universoLímite: separación del sistema real o imaginario con su entorno
Abierto Cerrado Aislado
Tipos de sistemas
Puedeintercambiar
MateriaEnergía
Materia MateriaEnergíaEnergía
Los sistemas se presentan de diferentes formas ESTADOS
caracterizados por VARIABLES termodinámicas
(p.ej: T, P, V, c, m, composición química, ...)
Intensivas Extensivas
Tipos de variables
• No dependen de la cantidad de materia del sistema• Ej: T, P, c• No son aditivas
• Dependen de la cantidad de materia del sistema• Ej: m, V• Son aditivas
Variables de estado
Funciones de estado = Ecuación de estado:Funciones de estado = Ecuación de estado:
1) Al asignar valores a unas cuantas variables de estado, los valores de todas las demás quedan automáticamente fijados.
2) Cuando cambia el estado de un sistema, los cambios de dichas funciones sólo dependen de los estados inicial y final del sistema, no de cómo se produjo el cambio.
X = Xfinal –Xinicial
Ecuaciones de estado: Relacionan variables de estado(ej: PV = nRT)
Son el conjunto de las variables de estado relacionadas entre sí, a través de una ecuación.
Cuando alguna de las variables de estado cambia con el tiempo
PROCESO termodinámico
Tipos deprocesos
• Isotermo (T = cte)• Isóbaro (P = cte)• Isócoro (V = cte)• Adiabático (Q = 0)• Cíclico (estado final = estado inicial)
•Reversible: Proceso que puede volver al estado inicial (sistema siempre infinitesimalmente próximo al equilibrio; un cambio infinitesimal en las condiciones puede invertir el proceso)• Irreversible: Proceso que no puede volver al estado inicial (Un cambio infinitesimal en las condiciones no produce un cambio de sentido en la transformación).
ENERGÍA, CALOR Y TRABAJO.ENERGÍA, CALOR Y TRABAJO.11erer PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA. PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA.22
Energía: Capacidad que posee un sistema para realizar un trabajo o para suministrar calor.
Criterio de signosCriterio de signos
SISTEMA
Q > 0
W > 0 W < 0
Q < 0
TRABAJOTRABAJO
rdFd
W Unidad S.I.: Julio
Trabajo de expansión/compresión de los gases
Pint Pext
dV
VPW ext dd [Levine, pg 42]
2
1
VV ext VPW d
EL TRABAJO NO ES UNA FUNCIÓN DE ESTADO
CALORCALOR
Un sistema cede E en forma de Q si se transfiere como resultadode una diferencia de T entre el sistema y el entorno.
Unidad S.I.: Julio 1 cal = 4,184 J
No es una propiedad característica del sistema.No es algo que posea el sistema.Es una forma de intercambio de energía, una “energía en tránsito”
El calor no es función de estado
CALOR ≠ TEMPERATURA
ENERGÍA INTERNA: UENERGÍA INTERNA: U
Energía interna : U(Suma de energías a nivel molecular)
• Función de estado• Magnitud extensiva
U = Q + W1er Principio de laTermodinámica
Epot Ecin ?
¿Cómo podemos aumentar Ude un sistema cerrado?
1) Calentándolo calor2) Realizando un trabajo
U = Q + W
1er Principio de la Termodinámica
Energía interna = calor + trabajo
“ La energía no se crea ni se pierde solo se transforma”
ENTALPÍA.ENTALPÍA.33H = U + PV Entalpía
(H)
• Función de estado• Propiedad extensiva• Unidades de energía
Proceso a P = cte
);VP(VQVPQWQUUU 12pVVp12
2
1 d
HHHPVUPVUQ 121122p
Relación entre H y U
H = U + (PV)Si P=cte
H = U + PV H Usól/líq
solo
CALOR DE REACCIÓN. LEY DE HESS.CALOR DE REACCIÓN. LEY DE HESS.44Reaccionesquímicas
• Exotérmicas (Q < 0)
• Endotérmicas (Q > 0)
El calor de reacción se mide con un calorímetro[Petrucci, pg 227]
Qv = U = Uprod - Ureac
Qp = H = Hprod - HreacH = U + (PV)
H U
¿Intervienengases?
NoSí
H = U + (nRT)
H = U + RTnSi T=cte
MÉTODOS PARA DETERMINARLA
Entalpía de reacciónEntalpía de reacciónIncremento de entalpía que tiene lugar durante la reacción
Método 1 Medir Qp con un calorímetro
)g(CO)g(O2
1)g(CO 22 H = -283 kJ
)g(CO2)g(O)g(CO2 22 H = -566 kJ
)g(O2
1)g(CO)g(CO 22 H = +283 kJ
Método 2 Medir Qv con un calorímetro; H = U+RTn
Método 3 Ley de Hess
)g(CO)g(O2
1)s(C 2 H = ?
)g(CO)g(O)s(C 22 H = -393.5 kJ
Germain Henri Hess(1802-1850)
El calor intercambiado cuando una reacciónquímica se lleva a cabo a T y P constantes esel mismo tanto si la reacción ocurre en unaetapa o en varias.
)g(CO)g(O)s(C 22 H = -393.5 kJ
)g(O2
1)g(CO)g(CO 22 H = +283 kJ
)g(CO)g(O2
1)s(C 2 H = -110.5 kJ
H: función de estado
ENTALPÍA ESTÁNDAR DE FORMACIÓN.ENTALPÍA ESTÁNDAR DE FORMACIÓN.55Estado estándar de una sustancia: su forma pura a 1 bar.
Entalpía de reacción estándar (Hº): H cuando los reactivos en susestados estándar pasan a productos en sus estados estándar respectivos.
Entalpía estándar de formación (Hfº) de una sustancia: Entalpíaestándar de reacción para la formación de un mol de la sustancia apartir de sus elementos en su estado más estable. (Unid: Jmol-1)
Hfº (C2H5OH, l) a 25ºC = -277.69 kJmol-1
)l(OHHC)g(O2
1)g(H3)grafito,s(C2 5222
Hfº (elemento en su estado más estable) = 0
ENTALPÍAS DE ENLACE.ENTALPÍAS DE ENLACE.66Método 5 A partir de entalpías de enlace
¡Ojo! Método aproximado ESTIMACIÓN
Reacción química: Proceso en el que se rompen unos enlaces yse forman otros nuevos.La ruptura/formación de un enlace conlleva intercambio energético.
H C H + Cl Cl H C Cl + H Cl
H
H
H
H
ENTALPÍAS DE ENLACE.ENTALPÍAS DE ENLACE.66Método 5 A partir de entalpías de enlace
¡Ojo! Método aproximado ESTIMACIÓN
Reacción química: Proceso en el que se rompen unos enlaces yse forman otros nuevos.La ruptura/formación de un enlace conlleva intercambio energético.
H C H + Cl Cl H C Cl + H Cl
H
H
H
H
Entalpía de disociación de un enlace dado en una moléculadeterminada: Energía requerida para romper ese enlace en unmol de dichas moléculas en estado gaseoso a P cte.
Entalpía de enlace: Valor promedio de la energía requerida pararomper enlaces similares en un gran número de moléculasdiferentes. (Un mol; estado gaseoso; P cte) Tabular
)formados(EE)rotos(EEH
¡Ojo! * Método aproximado ESTIMACIÓN Fiabilidad: 10 kJ como máximo* Sólo es aplicable a reacciones entre gases.
H C H + Cl Cl H C Cl + H Cl
H
H
H
HH = 413 + 243 – 328 – 432 = –104 kJ
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