Primer Principio de Termodinámica
1.- Trabajo, Calor, Energía.
2.- El Primer Principio de la Termodinámica.
Energía Interna (U)
3.- Entalpía (H)
4.- Capacidad Calorífica
5.- Cálculo de U y de H en procesos sencillos de
sistemas cerrados
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Asignatura: Fisica y Fisicoquimica, Profesor: Jose María Álvarez Pez, Carrera: Farmacia, Universidad: UGR
Tipo: Apuntes
2014/2015
1 / 23
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Primer Principio de Termodinámica
1.- Trabajo, Calor, Energía.
2.- El Primer Principio de la Termodinámica.
Energía Interna (U)
3.- Entalpía (H)
4.- Capacidad Calorífica
5.- Cálculo de U y de H en procesos sencillos de
sistemas cerrados
TRABAJO
.
uff, uff
W=F x
Trabajo realizado
por el hombre
Fuerza aplicada
Distancia que se desplaza el objeto
La unidad de trabajo en el SI es el Julio : 1 J = 1 N m = 1 kg m^2 /s^2
Fuerza
distancia
X 1 X 2
2
1
X
X
W Fdx
Trabajo = área
dw = F dx ^2
1
x x
w Fdx
Integral definida
Trabajo en una expansión finita reversible
Pext
Pint
Pext = Pint
Estado Final 2
Pext Pint
Pext
Pint
Estado Inicial
1
V
P^1
2
Expansión Reversible a T cte.
2 2
1 1
V V
V ext^ V gas
W P dV P dV
etapas Reversible
La integral depende de cómo varíen T y V. Es decir: depende del camino
El trabajo no es una función del
estado del sistema
Gas Ideal y T=cte:
dV W nRT V
2
1
V
V
W nRT Ln
Trabajo en una expansión finita irreversible
Expansión Reversible a T cte.
P
V
El trabajo por vía irreversible resulta menor que por vía reversible
Calor en un cambio finito
El criterio de signos es desde el punto de vista del sistema:
Cuando en un proceso el medio ambiente cede calor al
sistema, q es positivo; una cesión de calor del sistema al
entorno implica que q es negativo
(^) p
T
T
1 p
T
T
m 2 cp T dT m c T dT q
f
1 1
2
f 2
El calor total intercambiado en un proceso macroscópico (finito)
resulta la integral definida:
:
2
1
T
p (^) T p q m c T dT
Cp = dqp/dT CP = capacidad calorífica molar a presión constante
Criterio de signos
SISTEMA
Q > 0
W > 0 (^) W < 0
Q < 0
Criterio egoísta
Equivalente Mecánico del Calor
James Prescott Joule
Aparato empleado por Joule en la medición del equivalente mecánico del calor
Entre 1845 y 1847 repitió estos experimentos
usando agua, aceite de ballena y mercurio
Llegó a la conclusión de que el consumo de
una magnitud dada de trabajo, no importa
cual sea su origen, produce siempre la
misma cantidad de calor
1 caloría = 4'1833 J
Primer Principio de Termodinámica
Se aceptaba la idea de que no es
posible un movimiento perpetuo de
primera especie. No es posible la
producción de energía de un tipo
particular, sin la desaparición de una
cantidad equivalente de energía de
otra forma.
En 1847 von Helmholtz enunció que el fracaso en lograr un movimiento perpetuo de primera especie y la equivalencia entre trabajo y calor eran aspectos parciales de una generalización más amplia que hoy se conoce como ley de la conservación de la energía
Hermann von Helmholtz
Aunque la energía se puede convertir de una forma en otra, no se puede crear ni destruir
Siempre que se genere una cantidad de una clase de energía se deberá de consumir una cantidad exactamente equivalente de otra clase o clases
La ley de conservación de la energía es el resultado de la experiencia, deducida del fracaso en conseguir una máquina en movimiento continuo y de la constancia del equivalente mecánico del calor. El primer principio es idéntico a esta ley y conducirá a una amplia variedad de conclusiones.
Trabajo mecánico
calor Trabajo eléctrico
El calor y el trabajo son formas equivalentes de variar la energía de un sistema
Calor, Trabajo y Energía
Energía
Energía a nivel molecular
Energía a nivel macroscópico
Energía de rotación de las moléculas Energía de vibración de las moléculas Energía de los electrones Energía de los núcleos Energía de interacción molecular
Energía debida a la posición del sistema en un campo de fuerzas Energía de movimiento del sistema en conjunto
Calor, Trabajo y Energía
La energía puede ser de varias clases: cinética, potencial y molecular, y una clase se puede convertir en otra mediante una transformación. Sin embargo, el paso de la energía de una clase a otra se puede realizar solo de dos maneras: mediante la traslación de masas bajo la acción de ciertas fuerzas dirigidas y el trabajo es la medida de la energía así transmitida, o mediante choques caóticos (no dirigidos) de los sistemas en contacto y el calor es la medida de la energía transmitida de esa forma
Trabajo Calor
En un proceso hay un intercambio de calor o la realización de un trabajo, pero sin el proceso, calor y trabajo no tienen ningún significado
Expresiones del Primer Principio
U q w dU^ dq dw
La energía interna es función de estado dU 0
A
B
Proceso Cíclico
P
V
U U (^) final U (^) inicial U (^) A UA 0
No es posible conocer la energía de un sistema, sólo conocemos su cambio en un proceso
U = U 2 -U 1
Cuando escribimos ΔU queremos decir ΔUsist. El convenio para los signos de q y w implica que un calor y un trabajo positivos aumentan la energía interna del sistema
V V T
U
T T
U
V
dT T
U dV V
U dU T V
Como U es función de estado, su valor dependerá de las variables que definen al
sistema, que para un sistema homogéneo y cerrado, se reducen a dos. Así, la
dependencia de U respecto a las variaciones del sistema se consigue escribiendo U
como función conveniente de dos de las variables de estado P, T, V
Capacidades Caloríficas
dT
dq
C
pr
pr
V
V V T
U
dT
dq C (^)
P
P P T
H
dT
dq C (^)
T P
H P,T
Como H = H (P, T), la derivada parcial es también una función de P y T
Así, CP es una función de P y T, siendo también una función de estado. De forma análoga U se puede tomar como una función de T y V, por lo que CV es una función de estado
Relación entre y :
P V P P V
P V T
U
T
V
P
T
U
T
U
T
H
C C
P
C V
C
dT T
U
dV V
U
dU
T V
P T P T V
U
T
V
V
U
T
U
T P V P V
P V T
U
T
V
P
T
U
T
V
V
U
C C
P
V
U
T
V
C C
P T
P V
T P
V Trabajoen contradelapresiónexterna P
P V T
U T
V Trabajoen contradelapresióninterna