energía, entalpía, y la primera ley de termodinámica
Termodinámica Química
la termodinámica se define como la rama de la ciencia que se ocupa de la relación entre el calor y otras formas de energía, como el trabajo. Se suele resumir como tres leyes que describen restricciones sobre cómo diferentes formas de energía pueden interconvertirse. La termodinámica química es la porción de la termodinámica que se refiere a las reacciones químicas.,
las Leyes de La Termodinámica
la Primera ley: la Energía se conserva, se puede ser ni creada ni destruida.
segunda ley: en un sistema aislado, los procesos naturales son espontáneos cuando conducen a un aumento del trastorno o entropía.
tercera ley: la entropía de un cristal perfecto es cero cuando la temperatura del cristal es igual al cero absoluto (0 K).,
ha habido muchos intentos para construir un dispositivo que viola las leyes ofthermodynamics. Todos han fracasado. La termodinámica es una de las pocas áreas de la ciencia en las que no hay excepciones.
El sistema y su entorno
una de las suposiciones básicas de la termodinámica es la idea de que podemos arbitrariamente dividir el universo en un sistema y su entorno., El límite entre el sistema y su entorno puede ser tan real como las paredes de un pico que separa una solución del resto del universo (como en la siguiente figura).
o puede ser tan imaginario como el conjunto de puntos que dividen el aire justo sobre la superficie de un metal del resto de la atmósfera (como en la figura a continuación).,
energía interna
una de las propiedades termodinámicas de un sistema es su energía interna, E, que es la suma de las energías cinéticas y potenciales de las partículas que forman el sistema. La energía interna de un sistema se puede entender examinando el sistema más simple posible: un gas ideal. Debido a que las partículas en un gas ideal no interactúan, este sistema no tiene energía potencial. La energía interna de un gas ideal es, por lo tanto, la suma de las energías cinéticas de las partículas en el gas.,
la teoría molecular cinética asume que la temperatura de un gas es directamente proporcional a la energía cinética promedio de sus partículas, como se muestra en la figura siguiente.
La energía interna de un gas ideal es, por tanto, directamente proporcional a la temperatura del gas.,
Esys = 3/2 RT
en esta ecuación, R es la constante de gas ideal en julios por molekelvin (J/mol-K) y T es la temperatura en kelvin.
la energía interna de sistemas que son más complejos que un Gasco ideal no se puede medir directamente. Pero la energía interna del sistema sigue siendo proporcional a su temperatura. Por lo tanto, podemos monitorear los cambios en la energía interna de un sistema observando lo que sucede con la temperatura del sistema. Cada vez que la temperatura del sistema aumenta, podemos concluir que la energía interna del sistema también ha aumentado.,
Supongamos, por el momento, que un termómetro sumergido en un vaso de agua en una placa caliente lee 73,5 oC, como se muestra en la figura siguiente. Esta medida describe canónicamente el estado del sistema en ese momento. No puede decirnos si el agua se calentó directamente desde la temperatura ambiente a 73.5 oC o se calentó desde la temperatura de la habitación a 100oC y luego se dejó enfriar.
por lo tanto, la temperatura es una función de estado. Depende solo del estado del sistema en cualquier momento, no de la ruta utilizada para llevar el sistema a ese estado., Debido a que la energía interna del sistema es proporcional a su temperatura,la energía interna también es una función de estado. Cualquier cambio en la energía interna del sistemaEs igual a la diferencia entre sus valores iniciales y finales.
Esys= Ef – Ei
La Primera Ley De la Termodinámica
La primera ley de la termodinámica puede ser capturado en la siguiente ecuación,la cual establece que la energía del universo es constante., La energía puede ser transferida del sistema a su entorno, o viceversa, pero no puede ser creada o destruida.,
First Law of Thermodynamics:
A more useful form of the first law describes how energy is conserved., Dice que el cambio en la energía interna de un sistema es igual a la suma del calor generado o perdido por el sistema y el trabajo realizado por o en el sistema.,
Primera Ley de la Termodinámica:
La convención de signos para la relación entre la energía interna de asystem y el calor ganado o perdido por el sistema puede ser comprendido por el pensamiento acerca de aconcrete ejemplo, como un vaso de agua sobre una placa caliente., Cuando se gira la placa caliente, el sistema gana calor de su entorno. Como resultado, tanto la temperatura como la energía interna del sistema aumentan, y E es positiva. Cuando la placa caliente se apaga, el agua pierde calor a su entorno a medida que se enfría a temperatura ambiente, y E es negativa.
la relación entre la energía interna y el trabajo se puede entender considerando otro ejemplo concreto: el filamento de tungsteno dentro de una bombilla., Cuando el trabajo se realiza en este sistema mediante la conducción de una corriente eléctrica a través del alambre de tungsteno, el sistema se convierte en más caliente y E es por lo tanto positivo. (Eventualmente, el cable se calienta lo suficiente para brillar.) Por el contrario, Eis negativo cuando el sistema funciona en su entorno.
las convenciones de signos para el calor, el trabajo y la energía interna se resumen en la figura siguiente. La energía interna y la temperatura de un sistema disminuyen (e < 0) cuando el sistema pierde calor o funciona en su entorno., Por el contrario, la energía interna y la temperatura aumentan (e> 0) cuando el sistema obtiene calor de su entorno o cuando el entorno funciona en el sistema.,
El Sistema y el Trabajo
El sistema se define como la reacción química y el límite es el recipiente en el cual la reacción es correr. En el curso de la reacción, el calor es eithergiven apagado o absorbido por el sistema., Además, el sistema o bien funciona en sus alrededores o tiene trabajo realizado en él por su entorno. Cualquiera de estas interacciones puede afectar la energía interna del sistema.
Esys = q + w
dos tipos de trabajo están normalmente asociados con una reacción química: trabajo eléctrico y trabajo de expansión. Las reacciones químicas pueden hacer el trabajo en sussurroundings conduciendo una corriente eléctrica a través de un alambre externo., Las reacciones también trabajan en su entorno cuando el volumen del sistema se expande durante el curso de la acción la cantidad de trabajo de expansión realizado por la reacción es igual al producto de la presión contra la cual el sistema se expande veces el cambio en el volumen del sistema.
w = – p V
la Convención de signos para esta ecuación refleja el hecho de que la energía interna del sistema disminuye cuando el sistema funciona en su entorno.,
entalpía Versus energía interna
¿Qué pasaría si creamos un conjunto de condiciones bajo las cuales el sistema no realiza ningún trabajo en su entorno, o viceversa, durante una reacción química? Bajo estas condiciones, el calor emitido o absorbido por la reacción sería igual al cambio en la energía interna del sistema.
esys= q (si y solo si w = 0)
la forma más fácil de lograr estas condiciones es ejecutar la reacción a un volumen constante, donde no es posible ningún trabajo de expansión., A volumen constante, el calor generado o absorbido por la reacción es igual al cambio en la energía interna que ocurre durante la reacción.
esys= qv (a volumen constante)
la siguiente figura muestra un calorímetro en el que las reacciones se pueden ejecutar a volumen constante. La mayoría de las reacciones, sin embargo, se ejecutan en frascos y vasos de precipitados abiertos. Cuando se hace esto, el volumen del sistema no es constante porque el gas puede entrar o salir del contenedor durante la reacción., El sistema está a presión constante, sin embargo, porque la presión total dentro del contenedor es siempre igual a la presión atmosférica.
Si se expulsa un gas del matraz durante la reacción, el sistema funciona en su entorno. Si la reacción tira de un gas en el matraz, los alrededores dowork en el sistema. Todavía podemos medir la cantidad de calor emitido o absorbido durante la reacción, pero ya no es igual al cambio en la energía interna del sistema, porque parte del calor se ha convertido en trabajo.,
esys = q + w
podemos solucionar este problema introduciendo el concepto de entalpía(H), que es la suma de la energía interna del sistema más el producto de la presión del gas en el sistema por el volumen del sistema.
HSYS = ESYS + PV
en aras de la simplicidad, el subíndice «sys» se dejará fuera del símbolo tanto para la energía interna del sistema como para la entalpía del sistema a partir de ahora. Por lo tanto, abreviaremos la relación entre la entalpía del sistema y la energía interna del sistema de la siguiente manera.,
H = E + PV
el cambio en la entalpía del sistema durante una reacción química es igual al cambio en su energía interna más el cambio en el producto de la presión.
H= E + (PV)
supongamos que la reacción se ejecuta en una taza de espuma de poliestireno, como se muestra en la figura a continuación.,
debido a que la reacción se ejecuta a presión constante, el cambio en la allalpy que se produce durante la reacción es igual al cambio en la energía interna del sistema más el producto de la presión constante multiplicado por el cambio en el volumen del sistema.
H= e + PV (a presión constante)
sustituir la primera ley de la termodinámica en esta ecuación da el siguiente resultado.,
H= (qp + w) + PV
Suponiendo que el único trabajo realizado por la reacción de trabajo de expansiongives una ecuación en la que la PV términos cancelar.
H= (qp – PV) + PV
Así, el calor desprendido o absorbido durante una reacción química atconstant presión es igual al cambio en la entalpía del sistema.,
H = qp (a presión constante)
la relación entre el cambio en la energía interna del sistemadurante una reacción química y la entalpía de la reacción se puede resumir de la siguiente manera.
1. El calor emitido o absorbido cuando una reacción se ejecuta a un volumen constante es igual al cambio en la energía interna del sistema.
Esys= qv
2. El calor emitido o absorbido cuando una reacción se ejecuta a presión constante es igual al cambio en la entalpía del sistema.,
Hsys= qp
3. El cambio en la entalpía del sistema durante una reacción química es igual al cambio en la energía interna más el cambio en el producto de la presión del gas en el sistema y su volumen.
4., La diferencia entre E Y H para el sistema es pequeña para reacciones que involucran solo líquidos y sólidos porque hay poco o ningún cambio en el volumen del sistema durante la reacción. La diferencia puede ser relativamente grande, sin embargo, para las reacciones que involucran gases, si hay un cambio en el número de moles de gas en el curso de la reacción.
problema de Práctica 1:
¿Cuáles de los siguientes procesos se ejecutan a volumen constante y cuáles se ejecutan a presión constante?,
(a) una valoración ácido-base
(b) La descomposición de CaCo3 por calentamiento de piedra caliza en un crisol con un quemador bunsen
(c) la reacción entre zinc metálico y una solución acuosa de iones Cu2+ para formar cobre metálico y iones Zn2+
(d) la medición de las calorías en un 1-oz. porción de cereal de desayuno quemando el cereal en un calorímetro de bomba
Haga clic aquí para verificar su respuesta al problema de Práctica 1.