Introducción a la Termodinámica

La termo química es parte de un amplio tema llamado termodinámica, que es el estudio científico de la conversión del calor y otras formas de energía. Las leyes de la termodinámica proporcionan guías útiles para entender la energética y la dirección de los procesos.

En general, la energía se puede convertir de una forma a otra, y se puede transferir de una parte del universo a otra. Lo que queremos entender es cómo pueden darse esos intercambios de energía como calor o trabajo entre un sistema y su entorno.

En la termodinámica examinamos los cambios en el estado de un sistema, que se define por los valores de todas sus propiedades macroscópicas importantes, por ejemplo, composición, energía, temperatura, presión y volumen. 

Presión 

En Química la tomaremos como la suma total de la cantidad de choques multiplicado por la fuerza de las partículas dentro de un recipiente en condiciones contantes.

Los gases ejercen presión sobre cualquier superficie con la que entren en contacto, ya que las moléculas gaseosas se hallan en constante movimiento.

La Presión tiene una relación directa con la Temperatura y volumen de un cuerpo.

La presión a temperatura constante es inversamente proporcional al volumen.

El volumen mantenido a presión constante es directamente proporcional a la temperatura absoluta.

 

Entalpia

Los cambios químicos pueden hacer que se desprenda o absorba calor.

También pueden hacer que se efectúe trabajo, sea sobre el sistema o sobre el entorno

La función termodinámica llamada entalpía (de la palabra griega enthalpein, que significa “calentar”) representa el flujo de calor en cambios químicos que se efectúan a presión constante cuando no se efectúa más trabajo que el trabajo presión-volumen.

Por lo que pueden ocurrir Reacciones exotermicas o indotermicas.

Las exotermicas son aquellas que liberan Energía al sistema.

H sera la entalpia de la reacción, por lo que si la entalpia de los reactivos es mayor que la entalpia de los productos la reacción sera exotermica, con tal la diferencia de la entalpia de los productos sea menor a cero.

Las indotermicas necesitan Energía desde el entorno para poder reaccionar.

La explicación matemática para la Entalpia la vemos en la siguiente formula

Que se lee; la entalpía de reacción es igual a la suma total de coeficiente estequiométrico de los productos de reacción por la diferencia de la entalpia de la entalpia de formación de los productos menos la suma total de los coeficientes estequiométricos de los reactivos en la reacción por la entalpía de formación de los reactivos

Equilibrio Térmico

Cuando dos sistemas o cuerpos con diferente Temperatura entran en contacto, el de mayor temperatura transfiere energía Térmica al de menor temperatura, hasta conseguir un equilibrio térmico  

Simulador

http://www.uruguayeduca.edu.uy/UserFiles/P0001/File/ppiocero.swf

Temperatura

Es la cantidad promedio del movimiento de partículas. La temperatura no depende del tamaño, ni del número ni del tipo.

Esta se puede medir en grados Celsius (C°), Farenheit (F°), Kelvin (K) y Rankine (R).


Estas son escalas de medición, por lo que difieren en valor numérico pero no varia el promedio de movimiento cinético de las partículas en medición.

El grado Celcius (C°), fue tomado en referencia al agua, siendo 0°C el punto de congelación del agua y 100°C su punto de ebullición.


Mientras tanto la escala Farenheit basa su referencia en cuatro mediciones,  la primera de una mezcla de sal, hiel y cloruro de amonio, y lo toma como punto 0°F, el segundo esta fijado en la medición de hielo y agua dando 32°F, pasas a la medición de la temperatura corporal siendo esta 96,8°F y el hervir del agua en 212°F.

La escala Kelvin (estos no se llaman grados), son la escala basada en el cero absoluto, en este punto ninguna partícula tiene movimiento teóricamente, la energía necesaria para pasar de un Kelvin a otro es igual que 1°C, la única diferencia es que el 0 en kelvin es igual a -273.15°C.




La escala Rankine es análoga con la escala Kelvin, pero esta lo es con respecto al Farenheit.

En el siguiente enlace tenemos un convertidor de temperaturas.

http://www.quimicaweb.net/grupo_trabajo_ccnn_2/tema3/actividades/escalas_temperatura.swf

Calor Especifico

El cambio de temperatura que experimenta un objeto cuando absorbe cierta cantidad de calor se determina mediante su capacidad calorífica, C.

Es una propiedad intrínseca de cada material; es la cantidad de calor requerido para elevar su temperatura 1 K (o 1 °C).

 A mayor capacidad calorífica, mayor calor requerido para producir un incremento dado en la temperatura.

Calor específico = (cantidad de calor transferido)/ (gramos de sustancia)(cambio de temperatura)
 Q = m/AT


Capacidad calorífica


Esta se refiere a la cantidad de Calor que contiene un cuerpo.

Energía Interna

La suma de todas las fuerzas cinéticas y potencial de las partículas en un sistema.


Cada partícula tiene una carga, creando una fuerza atractiva o repulsiva según la carga de la otra partícula.


Podemos describirlo también, como el movimiento aleatorio y desordenado de las partículas dentro de un sistema.



Esto es debido al movimiento lineal, rotacional y vibracional de las partículas.



La energía interna es muy difícil de calcular ya que son muchas las partículas que componen un cuerpo y tienen muchos tipos diferentes de energía. Lo que se suele hacer es calcular la variación de energía interna.

Calor 

Recordemos siempre que cuando hablamos de Calor, estamos hablando de la cantidad de movimiento que tienen las partículas.



 Este se transmite a través del contacto térmico.

Por lo que si tomamos cierta cantidad de partículas con su propia cantidad de Calor, que llamaremos A, tendrá su propia Temperatura, en comparación de cierta cantidad de partículas con un calor diferente, que llamaremos B, tendrá también una Temperatura diferente a A.

Pero si juntamos las partículas A y B, cada una tendrá su propio Calor pero el conjunto tendrá una Temperatura que no es A ni B.

El calor depende de la velocidad de las partículas, de su número, de su tamaño y de su tipo.

Su magnitud es escalar y se mide en Joules.



La emisión o absorción de calor hace que los objetos cambien de temperatura. 

Sistemas y Entornos

La termoquímica  es la parte de la Termodinámica que estudia la relación entre el calor y el trabajo que se produce durante las reacciones Químicas.

 Dicha ciencia entiende por un sistema termodinámico a aquella parte del universo separada del exterior por superficies reales o imaginarias. Hay varios tipos de sistemas:

1. Aislados: No intercambian ni materia ni energía.
2. Cerrados: Intercambian energía pero no materia.
3. Abiertos: Intercambian materia y energía con los alrededores.

 

Todo sistema tiene Energía interna, 
Dado que los sistemas pueden recibir o ceder tanto energía como trabajo, hay que establecer un criterio termodinámico de signos.

El trabajo se mide en Julios y el calor en Calorías (cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 gr de agua desde 14'5 ºC a 15'5 ºC). La equivalencia entre ambas es:

1 J = 0'24 cal
1 cal = 4'18 J

            Vamos a definir a continuación una serie de variables termodinámicas necesarias para el desarrollo de este tema:

Como vemos en la imagen, si el trabajo requerido es menor a cero, este se aplica al sistema, si el trabajo es mayor a cero, este sale del sistema y se aplica al entorno.

Pero debido a que para realizar un trabajo siempre necesitaremos Calor, vemos que si, el Calor en el sistema es menor a cero, este sale del sistema hacia el entorno, pero si es mayor a cero, este se aplica en el sistema.

Por lo que para producir Calor necesitamos Trabajo o viceversa.

Energia

 “La capacidad que tiene un cuerpo o sistema para producir trabajo o calor”. 

.....claro esa que tiene mas formas que la evolucion de los Digimons....

Va dependiendo de a quien le preguntes lo que es Energía; Químicos, Matemáticos y Físicos (estos discuten según si son clásicos o cuánticos). Pero esto es Química así que aquí discutiremos Energía relacionada con Átomos.

En el universo todo aquello que es portador de alguna propiedad se ve reflejado con su propia partícula; en el caso de la Energía nos referimos al fotón.

Debido a su naturaleza cuántica, esta se comporta tanto como una partícula así como una onda.

Desde el punto de vista lógico esta definición no es consistente, ya que el trabajo es a su vez una forma de energía. 

Sin embargo, desde el punto de vista de la sociedad humana en general y la ingeniería en lo particular, la definición no es tan inconsistente como parece, ya que lo más importante no es tanto la energía por sí misma, sino las posibilidades de transformarla en trabajo.

Veamos este otro concepto que es mas cercano a nuestra disciplina.

El movimiento es una propiedad inalienable (atributo) de la materia; es indestructible como la misma materia. 

El movimiento de la materia se manifiesta en diferentes maneras, las cuales pueden pasar de una a otra. 

Esta relación no depende de la magnitud de la energía de ambas formas de movimiento, ni de las circunstancias concretas en las cuales ocurrió el paso de la una a la otra”. “De esta manera, la energía como medida del movimiento de la materia siempre se manifiesta en forma cualitativa mente peculiar, la que corresponde a la forma de movimiento dado y se expresa en las correspondientes unidades de medida.

“En la transformación de una forma de movimiento a otra, las energías del movimiento desaparecido y del surgido, expresadas en distintas unidades, son equivalentes entre sí, es decir, la energía del movimiento desaparecido se encuentra en relación cuantitativa constante con la energía del movimiento surgido.

Como dije anteriormente la Energía es diversa, se encuentra en muchas formas e incluso cuando tenemos un choque entre partículas de alta Energía en un punto del espacio, tenemos como resultado la creación de dos Bosones ( o sea partículas másicas).

Al saber que la Energía y la Materia pueden intercambiarse, comprendemos como es que estas interactuan fácilmente. 

Hoy nos pondremos en calor;

Nos estaremos introduciendo a la Termo-química; pero primero hay que conocer su concepto.


Es la relacion entre las reacciones quimicas y sus cambios de energia.


Recordemos que cuando una reaccion Quimica ocurre no se crean ni se destruyen los atomos, solo se transforman. Igual ocurre con la energia,

Cada vez que ocurre una reaccion quimica se libera energia o absorbe energia del medio.

Intensifiquemonos!!!

Las porpiedades Intensivas son directas de un cuerpo; no importa su cantidad de materia, siempre estan presentes; no dependen de ningun otro factor o sistema a medir.

Temperatura: Es la medida media del movimiento que tienen las particulas en un sistema.

Presion: Cantidad media de choques que tienen las particulas contra un contenedor o particulas sicundantes.

Velocidad: Cambio de posicion de los objetos a travez del tiempo.

Volumen especifico: Cantidad de volumen que ocupa cada particula en el espacio.

Punto de ebullicion: Temperatura en la cual las particulas pasan del estado liquido al gaseoso y viceversa, manteniendose en equilibrio.

Punto de fusion:Temperatura en la cual las particulas pasan del estado liquido al solido y viceversa, manteniendose en equilibrio.

Densidad: Cantidad de materia que hay en un determinado volumen.

Viscosidad: Oposicion de un fluido a deformaciones.

Dureza: Capacidad de un material de rayar a otro.

Concentracion: Mezcla homogenea entre particulas de diferente naturaleza.

Solubilidad: Capacidad de mezclarse y crear una solucion homogenea.

Propiedades organolepticas: Todas aquellas caracteristicas que podemos experimentar con nuestros sentidos, olor, sabor, gusto, sensacion, textura, color, etc.