martes, 10 de enero de 2017

TERMODINÁMICA (Introducción)

La termodinámica es la parte de la ciencia estudia las variaciones de la energía asociadas a los cambios físicos y/o químicos que experimenta un sistema

Los conceptos básicos de la termodinámica son:

A) SISTEMA TERMODINÁMICO:  aquella parte del universo que intentamos que esté aislada de cualquier perturbación incontrolada o dicho de otra manera,  región del espacio delimitada por una superficie arbitraria real o imaginaria.  Por ejemplo, si queremos estudiar la reacción entre dos sustancias determinadas, el sistema estará formado por  el conjunto de esas sustancias.

Todo sistema puede interactuar con cuanto le rodea (alrededores) intercambiando materia y/o energía. De esta forma los sistemas pueden ser clasificados según sus interacciones con el exterior. Se distinguen dos tipos de sistemas:

  • sistema aislado: se denomina así a aquel sistema cuya interacción con el exterior es nula, esto es, no intercambia con el exterior ni materia ni energía.
  • sistema cerrado: aquel que intercambia sólo energía (bien en forma de calor bien en forma de trabajo) pero no hay intercambio de materia
  • sistema adiabático: aquel que interactúa pero sin intercambio de calor con el medio exterior
  • sistema abierto: son aquellos sistemas que si interactúan con el exterior intercambiando materia y energía.

B) VARIABLES TERMODINÁMICAS: se denomina así a aquellas magnitudes que integran el sistema y definen su estado físico, tales como la presión y el volumen. Se pueden dividir en dos grupos:

  • variables extensivas:  aquellas magnitudes que dependen del tamaño del sistema como por    ejemplo la masa (m) y el volumen (V)
  • variables intensivas: aquellas magnitudes que no dependen del tamaño del sistema, esto es, no dependen de la masa total del sistema como por ejemplo la presión (P) o temperatura (T)

C) FUNCIÓN DE ESTADO: se llama así a aquellas propiedades que sólo dependen del estado inicial y final del sistema y no de los estados intermedios por los cuales se ha llevado a cabo la transformación

D) ECUACIÓN DE ESTADO: es una relación que permite describir o conocer el estado de un sistema mediante unas pocas variables de estado. Su importancia radica en el hecho de que estas funciones se refieren únicamente a los estados de equilibrio de los sistemas sin tener en cuenta otros factores.
Un ejemplo de función de estado es la ecuación  de los gases ideales dada por la relación:

P V = nRT

OTROS:

Las reacciones químicas conllevan una transformación de energía entre el sistema y su entorno y según sea esta transformación energética se distinguen dos tipos de reacciones:

  • Exotérmicas: son aquellas en las cuales el sistema libera energía. Un ejemplo son las reacciones de combustión
  • Endotérmicas: aquellas que requieren un aporte de energía para que tengan lugar. Un ejemplo son algunas reacciones de formación de compuestos

TEMPERATURA: es una variable de estado que presenta la característica de poseer el mismo valor en aquellos sistemas que se encuentran en equilibrio termodinámico.

CALOR: energía que se transfiere debido a una diferencia de temperatura

ENERGIA INTERNA (U): es una función de estado extensiva que se define como la energía total que posee un determinado sistema. Esta energía queda determinada una vez se han fijado las variables que definen el estado del sistema.


 LOS PRINCIPIOS DE LA TERMODINAMICA


Primer principio de la termodinámica:

Este principio afirma que la variación de la energía interna de un sistema termodinámico es igual al calor absorbido o desprendido en el proceso más el trabajo realizado por el sistema. Este principio se expresa de la siguiente forma:
ΔU = Q + W
Siendo Q el calor intercambiado entre el sistema y el medio que le rodea, ΔU la variación de la energía interna en el proceso y W el trabajo realizado por el sistema

En un sentido más estricto se puede enunciar de la siguiente forma: “Todo sistema posee una energía interna (U) que puede intercambiarse con el exterior de dos formas que son mediante calor o mediante trabajo, cumpliéndose la relación:

dU = dQ + dW

De acuerdo con el criterio de signos, el trabajo se considerará negativo cuando sea un trabajo de expansión para el sistema y se considera positivo cuando es un trabajo de compresión para el sistema.


 Segundo principio de la termodinámica:

Este principio nos da información sobre cuál será la dirección en la que el sistema evolucionará de forma espontánea. Se introduce en este principio el concepto de entropía. Está basado en el enunciado de Kelvin-Plank según el cual no es posible que una máquina térmica que opera cíclicamente no produzca más efecto que la absorción de calor de un foco calorífico y su conversión en una cantidad equivalente de trabajo. Dicho de otra manera, es imposible un proceso en el cual únicamente se transfiera calor de un cuerpo con una temperatura menor a otro con temperatura mayor (enunciado de Clausius) no siendo posible un proceso cuyo único resultado sea la absorción de calor procedente de un foco y su transformación en trabajo (enunciado de Kelvin-Planck)
Dentro de este apartado se definen dos importantes conceptos que son:

Entalpía:
Es una función de estado, al igual que la energía interna y la entropía y mide el contenido energético de un sistema. Está relacionada con la energía interna de acuerdo con la expresión:

H = U + P V

Por lo que la variación de la entalpía a presión constante estará dada por:

ΔH = ΔU + PΔV

La importancia de la entalpía radica en que nos proporciona información sobre las variaciones en el contenido energético de un determinado proceso, pudiendose predecir el sentido en el que va a tener lugar una deterinada reacción química.



Entropía:
Para poder conocer la dirección hacia la que evolucionará un determinado sistema de forma espontánea se introduce el concepto de entropía, definido como el grado de desorden molecular que posee el sistema de tal forma que cuanto mayor sea el orden interno de un sistema tanto menor es su entropía. Por el contrario, cuanto mayor sea el grado de desorden interno del sistema tanto mayor será su entropía. La entropía es una función de estado y por tanto depende únicamente del estado inicial y final del sistema. Ser epresenta por la letra S y puede ser medida.
Los cambios de entropía existentes son tres: la variación de la entropía del universo, la variación de la entropía del sistema y la variación de la entropía del entorno y se relacionan mediante:

ΔS universo = ΔS sistema + ΔS entorno

De acuerdo con el segundo principio de la termodinámica se puede afirmar que en todo proceso irreversible la variación de la entropía del universo aumenta mientras que en los procesos reversibles la variación de la entropía del universo es nula, esto es,se mantiene constante ya que la variación de la entropía del sistema y del entorno son iguales y de signo contrario.