TERMODINÁMICA Y TERMOQUÍMICA

TERMODINÁMICA Y TERMOQUÍMICA Basado en el trabajo del Prof. Víctor Batista Universidad de Yale

Termodinámica yTermoquímicaCalor, trabajo y funciones de estado

Química y Energía ENERGÍA es la capacidad de realizar trabajo o transferir calor CALOR es una forma de energía que fluye entre dos cuerpos que tienen distinta temperatura. Existen otras formas: • electromagnética • eléctrica • cinética • potencial

La combustión de unos pocos maníes aporta suficiente energía como para llevar a ebullición el agua del recipiente “La energía del azúcar” (la sacarosa reacciona con el clorato de potasio, KClO3, un agente oxidante fuerte) Química y Energía

En estas reacciones se favorece la formación de los productos. Esto significa que transcurre en forma casi completa desde los reactivos hacia los productos Química y Energía

Química y Energía 2 H2(g) + O2(g) ---> 2 H2O(g) + calor y luz Esta reacción puede utilizarse para generar ENERGÍA ELÉCTRICA en una célula de combustible. Oxidación: 2 H2---> 4 H+ + 4 e- Reducción: 4 e- + O2 + 2 H2O ---> 4 OH-

Energía potencial y cinética Energía potencial: Es la energía que posee un cuerpo en virtud de su posición.

La Energía potencial a escala atómica • Las partículas positivas y negativas conocidas como iones se atraen entre sí. • Los átomos forman enlaces • Cuando estas partículas se acercan, la energía potencial disminuye. NaCl (compuesto por iones Na+ y Cl-)

La Energía potencial a escala atómica • Las partículas positivas y negativas conocidas como iones se atraen entre sí. • Los átomos forman enlaces • Cuando estas partículas se acercan, la energía potencial disminuye.

Energía potencial y cinética Energía cinética: Energía asociada al movimiento de los cuerpos

Energía interna (U) • EP + EC = Energía interna (U) • La energía interna de un sistema depende de: • el n° de partículas • el tipo de partículas • la temperatura

Energía interna (U) • EP + EC = Energía interna (U)

Energía interna (U) • A mayor temperatura, mayor energía interna. • Por ello, utilizamos los cambios en T (∆T) para monitorear los cambios en U (∆U).

Termodinámica • Es la rama de la física que se ocupa de los efectos de los intercambios de calor. La energía térmica está asociada al movimiento molecular El calor se transfiere hasta que se alcanza el equilibrio térmico.

Direccionalidad de la transferencia del calor • El calor se transfiere espontáneamente desde un cuerpo más “caliente” (a mayor T) hacia otro más “frío” (a menor T) • En un proceso exotérmico el calor se transfiere desde el sistema hacia el entorno.

Direccionalidad de la transferencia del calor • El calor se transfiere espontáneamente desde un cuerpo más “caliente” (a mayor T) hacia otro más “frío” (a menor T) • En un proceso endotérmico el calor se transfiere desde el entorno hacia el sistema.

Química y energía Toda la termodinámica se basa en 4 principios. El primero es conocido como: LEY DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA • La energía debe conservarse en una reacción química • Si la EP de los productos es menor que la de los reactivos, la diferencia debe correspondera a la EC

Cambios de energía en los procesos químicos La EP del sistema disminuye. La EC aumenta. Por lo tanto, T debe aumentar.

James Joule 1818-1889 Unidades de energía 1 caloría = calor requerido para elevar la T de 1.00 g de H2O en 1.0 oC. 1000 cal = 1 kilocaloría = 1 kcal La caloría es una unidad usual que tiende a ser sustituída por el JOULE, la unidad de energía del SI 1 cal = 4.184 joules

¿Cuál tiene mayor capacidad calorífica? CAPACIDAD CALORÍFICA Es el calor requerido para elevar la T de un cuerpo en 1 ˚C.

Calor específico ¿Cuánta energía es transferida cuando se produce un cambio de temperatura? El calor (Q) “perdido” o “ganado” depende de: a) La masa de la muestra (m) • La variación de temperatura (T) c) El calor específico del material de la muestra (ce) Q = m x cexT

Calor específico Sustancia Ce (J/g•K) H2O 4.184 Ethilen glicol 2.39 Al 0.897 Vidrio 0.84 Agua Aluminio • ATENCIÓN: • El ce varía con el estado de agregación del material • El vidrio no es en realidad una sustancia

Calor específico Una masa de 25.0 g de Al se enfría de 310 oC a 37 oC. ¿Cuánta energía térmica fue transferida por el Al al ambiente? Q = m x cexT

Calor específico Una masa de 25.0 g de Al se enfría de 310 oC a 37 oC. ¿Cuánta energía térmica fue transferida por del Al al ambiente? Q = m x cexT donde ∆T = Tfinal - Tinicial Q = (0.897 J/g•K)(25.0 g)(37 - 310)K Q = - 6120 J Note que el signo negativo de Q indica que el calor fue transferido por el aluminio. El proceso es exotérmico

Calor intercambiado sin cambios en el estado de agregación Q = m x cexT

Calor intercambiado con cambios en el estado de agregación Involucran transferencia de energía a T constante Hielo + 333 J/g (calor de fusión) -----> agua líquida Q = (calor de fusión)(masa)

Calor intercambiado en cambios de estado de agregación La vaporización requiere energía (calor). Esa es la razón por la cual a) Sentimos frío al salir del agua • Usamos agua para apagar el fuego Líquido ---> Vapor + energía

Curva de calentamiento del agua vaporización calentamiento La T permanece constante durante los cambios de estado fusión

+333 J/g +2260 J/g Calor y cambios de estado ¿Cuánto calor se necesita para llevar 500. g de hielo a vapor a 100 oC? Calor de fusión del agua = 333 J/g Calor específico del agua = 4.2 J/g•K Calor de vaporización del agua = 2260 J/g

Calor y cambios de estado ¿Cuánto calor se necesita para llevar 500 g de hielo a vapor a 100 oC? 1. Para fundir el hielo Q1 = (500 g)(333 J/g) = 1.67 x 105 J 2. Para llevar el agua líquida de 0 oC a 100 oC Q2 = (500. g)(4.2 J/g•K)(100 - 0)K = 2.1 x 105 J 3. Para evaporar el agua a 100 oC Q = (500. g)(2260 J/g) = 1.13 x 106 J Q total = 1.51 x 106 J = 1510 kJ

Reactividad química ¿Por qué ocurren las reacciones químicas? ¿Cómo ocurren? La primera pregunta la responde la TERMODINÁMICA la segunda, la CINÉTICA QUÍMICA. Ya vimos que existen fuerzas capaces de favorecer la formación de los productos: • formación de un precipitado • producción de gases • producción de H2O en reacciones ácido-base • transferencia de electrones en una batería

Reactividad química Pero la energía transferida también nos permite predecir el sentido de la reacción. En general, las reacciones que transfieren energía al entorno (exotérmicas) favorecen la obtención de los productos Por lo tanto, consideremos la transferencia de calor en los procesos químicos.

Calor intercambiado en procesos físicos CO2 (s, -78 oC) ---> CO2 (g, -78 oC) El calor es transferido del entorno al sistema en un proceso endotérmico.

Calor intercambiado en procesos físicos • CO2 (s, -78 oC) ---> CO2 (g, -78 oC) • Ordenamiento regular de moléculas en el sólido -----> moléculas en fase gaseosa • Las moléculas de gas tienen –promedialmente- mayor energía cinética que las del sólido.

CO2 (gas) ∆E = E(final) - E(inicial) = E(gas) - E(sólido) CO2 (sólido) Diagrama energético para la transferencia de calor analizada

Calor intercambiado en procesos físicos • Las moléculas de CO2 aumentaron su energía cinética. • Pero además, fue realizado un TRABAJOcuando el sistema se expandió “empujando” a la atmósfera . CO2 (s, -78 oC) ---> CO2 (g, -78 oC) ¡Dos fenómenos han ocurrido!

Calor intercambiado Trabajo Variación de la energía interna PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA ∆U = Q + w ¡La energía se conserva!

Calor absorbido (endotérmico), Q>0 Calor liberado (exotérmico), Q<0 Trabajo recibido (W>0) Trabajo realizado (W<0) SISTEMA ∆U = Q + W

ENTALPÍA La mayoría de las reacciones químicas ocurren a P constante. Por lo tanto: Calor intercambiado a P constante = Qp Qp = ∆H donde H = entalpía Y como ∆U = ∆H + W (y W suele ser pequeño) ∆H = calor intercambiado a P constante ≈ ∆E ∆H = Hfinal - Hinicial

ENTALPÍA ∆H = Hfinal - Hinicial Si Hfinal > Hinicial , entonces ∆H es positivo El proceso es ENDOTÉRMICO Si Hfinal < Hinicial , entonces ∆H es negativo El proceso es EXOTÉRMICO

ENTALPÍA Considere la formación de agua H2(g) + 1/2 O2(g) --> H2O(g) + 241.8 kJ Reacción exotérmica — el calor es un “producto” y ∆H = – 241.8 kJ

ENTALPÍA Obtener H2O líquida a partir de H2 y O2 implica dos pasos exotérmicos. H2 + O2 gas H2O vapor H2O líquida

ENTALPÍA Obtener H2O líquida a partir de H2 y O2 implica dos pasos exotérmicos. H2(g) + 1/2 O2(g) ---> H2O(g) + 242 kJ H2O(g) ---> H2O(liq) + 44 kJ ----------------------------------------------------------------------- H2(g) + 1/2 O2(g) ---> H2O(liq) + 286 kJ LEY DEHESS: Si una reacción puede plantearse como la suma de dos o más reacciones, su ∆H neto es la suma de los ∆H de cada una tales reacciones

Ley de Hess y diagramas de energía La formación de H2O puede ocurrir en uno o dos pasos. ∆Htotal es el mismo, no importa en cuantos pasos ocurra el proceso.

Ley de Hess y diagramas de energía La formación de CO2 puede ocurrir en uno o dos pasos. ∆Htotal es el mismo, no importa en cuantos pasos ocurra el proceso.

∆H por un camino = ∆H por otro camino • Ésto es válido porque ∆H es una FUNCIÓN DE ESTADO • Éstas dependen únicamente del estado del sistema y no de cómo el sistema llegó a tal estado • V, T, P, energía … y tu cuenta bancaria, son funciones de estado • A diferencia de V, T, y P, no podemos medir el valor absoluto de H. Sólo podemos medir ∆H.

Variación de entalpía estándar Muchos valores de ∆H son expresados como ∆Ho Significa que ∆H fue medido en condiciones estándar: P = 1 bar = 105 Pa = 1 atm /1.01325 Concentration = 1 mol/L T = 25 oC Con todas las especies en su estado estándar: Por ejemplo: C (grafito), O2(g) , Br (l), etc.

∆Ho Depende de cómo fue escrita la ecuación y de los estados de los reactivos y productos H2(g) + 1/2 O2(g) --> H2O(g) ∆H˚ = -242 kJ 2 H2(g) + O2(g) --> 2 H2O(g) ∆H˚ = -484 kJ H2O(g) --> H2(g) + 1/2 O2(g) ∆H˚ = +242 kJ H2(g) + 1/2 O2(g) --> H2O(l) ∆H˚ = -286 kJ

∆Hfo(entalpía molar de formación estándar) Es el cambio de entalpía que acompaña la formación de un mol de una sustancia en estado estándar a partir de los elementos que la constituyen en estado estándar

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