1. Conservación de la Energía.
El hombre siempre a dependido de suministros energéticos.
Entre estos se encuentran los alimentos que nos proporcionan
nutrientes y energía, la quema de combustible fósil para uso
domiciliario, industrial, del transporte. De ahí que es tan
importante la energía.
Sistemas termodinámicos.
Sistema: Objeto en estudio ,el cual esta rodeado de un entorno y el
medioambiente..
Sistema Abierto: Puede intercambiar masa y energía por lo general
en forma de calor con sus alrededores.
Sistema Cerrado: El cual permite la transferencia de energía (calor)
pero no de masa.
Sistema Aislado: No permite el intercambio de energía ni de masa.
Universo : Sistema + entorno
Ejemplos de sistemas:
Una hormiga:
Es un sistema abierto, pues Intercambia
energía y materia con lo que la rodea.
Una casa con un patio:
Una botella de bebida tapada:
La Tierra:
Sistema abierto.
Sistema cerrado que
mientras la botella
este tapada solo
puede intercambiar
calor con el entorno.
Sistema abierto.
El contenido de un termo:
El universo:
Durante varias horas es un
sistema aislado que no
pierde o gana masa ni energía.
Se desconoce su dimensión y si tiene
un limite, pero según el conocimiento
actual el universo es único.
Se trata de un sistema aislado que no
tiene entorno.
Propiedad de estado.
Es aquella que al modificarse mediante una
acción externa, su diferencia entre el valor inicial
y el final no depende del camino recorrido por el
sistema. Lo único que importa son los valores
extremos.
Ejemplo: masa, el volumen la temperatura, la
presión, la energía interna, la entalpía, la
entropía, la energía libre.
Ejemplo de la temperatura como propiedad de estado.
¿Te has dado cuenta que en el informe meteorológico solo importa la
minima y máxima temperatura ?
No interesa si durante el día subió bajo volvió a subir, solo importan los
extremos.
Ejemplo:
Un cambio de cualquiera de estas propiedades se expresa
como:
X  X f  X i
Cambio: Magnitud de la propiedad final – Magnitud de la
propiedad inicial.
TRANSFORMACIONES
Vivimos en un mundo en constante cambio y transformación. En nuestro entorno
natural la noche sigue al día, el calor al frío y el Sol aparece tras la lluvia. En
nuestro hogar apagamos y encendemos luces, vemos distintas emisoras de
televisión y hervimos agua para preparar la comida.
Los seres vivos también sufren cambios: crecen, envejecen, florecen, se
desplazan y mueren. Algunos de estos cambios se aprecian a simple vista, como
la caída de las hojas de una planta o la carrera de un animal. Pero otras
transformaciones no se aprecian en absoluto, como la respiración de las plantas
o la digestión de los alimentos.
En cualquiera de todos estos cambios y transformaciones, o en cualquier otro
que puedas imaginar, hay energía. Energía es la capacidad de producir
transformaciones y cambios.
A veces esa energía se consume, como cuando calentamos la leche para el
desayuno o al encender una bombilla. Otras veces la producimos, como al
quemar madera en la chimenea o rascar una cerilla. En cualquier caso, la energía
siempre está ahí y nos limitamos a pasarla de un sistema material a otro,
cambiando la forma en que se manifiesta.
Cuando quemamos madera, cambiamos la energía química de la madera y del
aire en luz y calor. En las centrales hidroeléctricas, la energía del agua
embalsada se convierte en energía eléctrica y en las centrales nucleares, la
energía eléctrica procede de la que contiene el núcleo atómico. La energía nunca
aparece o desaparece, cambia de una forma a otra.
Transformaciones fisicas
En muchas transformaciones, las sustancias no cambian. Si
calentamos agua, tenemos agua caliente al final y agua fría al
principio, pero siempre agua. Si metemos el agua en el
congelador para hacer cubitos de hielo, tampoco cambia la
sustancia, que pasa de líquida a sólida, pero sigue siendo agua.
Otro tanto ocurre cuando se mueve un tren o un coche, tras el
movimiento, el tren o el coche siguen siendo los mismos. Y
cuando un gato cae, es el mismo desde que empieza la caída
hasta que llega al suelo.
Las transformaciones en las que las sustancias no cambian,
como al mover un objeto o un animal, o al calentar o enfriar un
cuerpo, son transformaciones físicas. En ellas la naturaleza de las
cosas que se transforman o que cambian es siempre la misma.
Transformaciones de energía.
Se define energía como: “La capacidad para
efectuar
trabajo”,
Se
transfiere
por
calentamiento
o
enfriamiento
,
lo
que
comúnmente llamamos ganancia o perdida de
calor.
Analicemos la siguiente situaciones.
Un montañista escala por la ladera de un
roquerío.
¿Hay implícita alguna forma de energía química?
La energía que aportan los alimentos se
transforman en energía motora muscular del
montañista.
En general, son energías químicas las que
provienen de los alimentos (metabolismo) y
también en parte las que son resultado de la
acción motora en el ser humano.
Los ejemplos indican un principio fundamental de la
naturaleza.
La energía no se crea ni se destruye, solo se
transforma, de manera que la energía permanece
constante en el universo.
Términos Trabajo y Calor.
El trabajo y el calor son procesos por los cuales se puede
cambiar la energías de un sistema.
uff, uff
.
Cada vez que se ejerce una fuerza sobre un objeto se esta
realizando un trabajo (w), que modifica la energía del
objeto.
En términos físicos
W  F d
En termodinámica
W  PV
La unidad del trabajo es joule, es preferida en las ciencias
porque se puede derivar directamente de unidades, que se
emplean para expresar la energía cinética y potencial.
Pext
Pext
dx
Pint
Pint
Pext > Pint
Calor
Pedro, cierra la
ventana. Que no
salga el calor.
¡Que no salga el calor!!!
¡O que no entre el
frío!!!
¡Maestro! tengo que preguntarle algo.
Ayer, papá me dijo que cerrara la
ventana para que no salga el calor……
No entendí lo que me quiso decir.
...... Además el otro día sin
querer toque la plancha y
me quemé. ¿Cómo es que
ocurren estos fenómenos?
Hummm......... interesante… veo que tienes
una curiosidad científica.
Te explicaré qué sucedió en ambos casos.
No olvides que la
constitución de la
materia tiene
como unidad al
ÁTOMO
Entonces…… ¿Qué es el calor?
La agrupación
de átomos
forma las
Moléculas
El calor es un
tránsito. Es decir, un
flujo de energía...
Ejemplo: Cuando hace frío perdemos energía mediante el
flujo térmico (calor), hacia el entorno.
...Cuando disminuye el calor las moléculas vuelven a
su estado original con menor movimiento.
Equivalencia entre la caloría y la unidad de trabajo:
Aun cuando la energía, el calor y el trabajo son conceptos
diferentes se pueden expresar en las mismas unidades.
(Equivalente mecánico del calor)
1cal = 4,184J 1000 cal = 1Kcal
...Maestro,¿Hasta cuando fluye
contacto entre dos cuerpos si
permanecen en contacto
indefinido?
Si las paredes entre dos
cuerpos son diatérmicas, fluye
calor hasta que se igualan las
temperaturas, a esto se le
llama equilibrio térmico.
Al aportar calor a un sistema, éste aumenta su
temperatura al igual que su energía interna, dependiendo
de tres factores. Éstos son:
Aumento de temperatura deseado ∆°T.
La masa del cuerpo del sistema… m
La sustancia que lo constituye, mejor
dicho su calor específico, que es la
energía necesaria para aumentar el grado
de temperatura de un kilogramo de la
sustancia considerada….Ce
Calor especifico de
algunas sustancias.(Ce)
Sustancias J/g.ºC
Agua
4.18
Aluminio
0,902
Cobre
0,385
Fierro
0,451
Madera
1.76
Mercurio
0,03
Esto se resume en la siguiente ecuación fundamental de la
calorimetría.
Q= m.Ce. ∆ T
Entonces:
La cantidad de calor que hay que suministrar a un cuerpo para elevar
su temperatura, depende del incremento de temperatura y de la masa
del sistema que se calienta.
Ejemplo
Si en un alambre de cobre de 10 g se eleva la temperatura
de 20ºC a 45ºC ¿Cuál es el calor transferido al metal?.
Al aplicar la formula
Q= m.Ce. ∆ T
Q  (10g)(0.385
J
)(45º C  20º C)
gº C
Energía Interna
Se le llama energía interna a la suma de las energías
individuales (cinética y Potenciales) de todas las
partículas, sean estas moléculas, átomos o iones.
Contribuyen también a la energía interna diversas
formas de energía:
Traslación rotación vibración, interacciones
moleculares y energía nuclear.
La Energía Interna es una función de estado. Ante
cualquier modificación, la magnitud del cambio
depende del valor inicial y final, el que se expresa
como
U  U final  Uinicial
La energía de un sistema se puede cambiar mediante
transferencia térmica (q) o trabajo (w).
Por lo tanto la energía interna de un sistema puede
cambiar en una magnitud, si hay una transferencia de
calor o si se realiza un trabajo (w) sobre el desde el
exterior.
U  q  W
La variación de la energía Interna puede aumentar o
disminuir según sea el tipo de transferencia que se realice.
Relación es de Transferencia de energía como
Calor y Trabajo entre un sistema y su entorno.
Si ingresa calor al sistema.
Si sale calor del sistema
q+
q-
(Proceso Endotérmico)
(Proceso Exotérmico)
Sistema
Si se realiza trabajo sobre el
sistema.
Si el sistema realiza trabajo
sobre el entorno.
W+
W-
Entalpía (H)
La mayoría de los procesos donde hay transferencia de calor
ocurren en sistemas abiertos , es decir a presión constante.
El flujo de calor a presión constante ( q ) es la variación de
p
entalpía(H ).
Por lo tanto en sistemas a presión constante la primera ley se
expresa como:
U  H  W
U  H  PV
Despejando la variación de entalpía
H  U  PV
Es normal llamar a la entalpía calor del proceso, ya que la
mayoría de las reacciones químicas se realizan a presión
constante.
Termoquímica
Parte de la termodinámica que estudia los cambios térmicos
relacionados con procesos químicos.
Procesos endotérmicos y exotérmicos.
Un proceso termoquímico se representa mediante una
ecuación termoquímica balanceada.
Ejemplo la evaporación del agua.
∆Hº=44,0 kJ
Para que el agua pase de estado liquido a gas requiere una
energía de 44.0 Kj, es por tanto una reacción endotérmica.
El proceso contrario a la evaporación es la condensación, la ecuación se
expresa
∆Hº=-44,0 kJ
En este caso se trata de un proceso exotérmico, el agua libera energía térmica.
Entalpia de formación estándar.
Es el calor de reacción correspondiente a la formación de un mol de la
sustancia a partir de sus elementos en sus estado fundamental o estándar.
Algunos ejemplos de reacciones de formación.
∆Hº=-393.5 KJ/mol
∆Hº=-285.3 KJ/mol
∆Hº=-74.8 KJ/mol
∆Hº=-422.2 KJ/mol
Ley de Lavoisier y La place
Una reacción que ocurre en sentido directo, puede ocurrir en sentido inverso, con
igual variación de entalpia pero con signo contrario.
A
B
B
A
∆Hº = +3
∆Hº = -3
Esta ley también se rige por el principio de la conservación de energía.
Ley de Hess
Permite evaluar el cambio de entalpia en reacciones, que son difíciles de estudiar
de manera experimental. Se aplican sumatorias de ecuaciones conocidas con sus
respectivas entalpias.
Ejemplo:
Hallar la entalpía de combustión del gas metano.
∆Hº=74.8KJ/mol
∆Hº= - 285.3KJ/mol
∆Hº= - 393.5KJ/mol
∆Hº= - 889.3KJ/mol
Mediante la adición de 3 ecuaciones y sus correspondientes ∆Hº
se obtiene la variación de entalpía de la combustión del metano.
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