Primeras leyes termodinámicas: Energía y calor, Diapositivas de Química

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TERMODINÁMICA

PRIMERA LEY

FISICOQUÍMICA I

La energía se puede

convertir de una forma a

otra

La energía no se crea ni se

destruye

PRIMERA LEY DE

LA

TERMODINÁMICA

La energía total del universo es constante

ENERGÍA INTERNA DE UN SISTEMA  Es una función de estado.  La energía total de un cuerpo “Es la suma de las diferentes contribuciones de las energías potencial y cinética macroscópica, se incluye además la energía interna debida a los movimientos moleculares y a las interacciones intermoleculares (que incluye energía electrónica, traslacional, rotacional, vibracional, nuclear, relativista de la masa en reposo de los electrones)”. 𝐸𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙=𝐸𝑐 + 𝐸𝑝 + 𝑈  Si el sistema está en reposo y no existen campos externos (ej. eléctricos , magnéticos): 𝐸𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙=𝑈

EN LOS PROCESOS:  Nos interesa medir los cambios de energía interna en los procesos: ∆𝑈 = 𝑈 2 − 𝑈 1 2 = 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑑𝑜 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 1 = estado inicial PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA ∆𝑈 = 𝑄 − 𝑤 Para un cambio infinitesimal: 𝑑𝑈 = 𝑑𝑄 − 𝑑𝑤 NOTAS:

• Q y w no tiene n el signo D
• No son funciones de estado
• Dependen de la trayectoria
• d son diferenciales inexactas (dependen de la trayectoria)
• dU es una diferencial exacta, U es una función de estado

CAMBIOS ENERGÉTICOS - RELACIÓN CON CAMBIOS EN EL ESTADO DE UN SISTEMA  SISTEMA: Masa fija Se describe el estado mediante T y V U=f(T,V) El cambio de energía interna del sistema: 𝑑𝑈 =

𝑉

Recordando: 𝑑𝑈 = 𝑑𝑄 − 𝑑𝑤 𝑑𝑄 − 𝑃𝑜𝑝𝑑𝑉 =

𝑉

CAMBIOS DE ESTADO A VOLUMEN CONSTANTE  Si V=cte, dV=0 y la primera ley : 𝑑𝑈 = 𝑑𝑄𝑣 (3)  A volumen constante la ec. (2) se convierte en: Relaciona el calor transferido desde el entorno, dQv , con el aumento de temperatura dT del sistema a volumen constante.

𝑑𝑈 = 𝜕𝑈 𝜕𝑇 𝑉 𝑑𝑇 + 𝜕𝑈 𝜕𝑉𝑇 𝑑𝑉 1  Sustituyendo Cv en la ecuación (1), y como dV=O dU= Cv dT (cambio infinitesimal)  Ó integrando: ∆𝑈 = (^) ׬ 𝑇 1 𝑇 2 𝐶𝑣𝑑𝑇 (cambio finito)

Ecuación útil para calcular D U , además si se considera a Cv constante en ese intervalo de

temperatura:

D U=Cv D T

INTEGRANDO: 𝑑𝑈 = 𝑑𝑄

𝑣

1 2

1 2

𝑣

D U = Q

V

D U y Qv tienen el mismo signo

𝐶^ ҧ 𝑣 Siempre es (+) Una propiedad intensiva (+) El calor fluye desde el entorno Qv>O

D U La energía del sistema aumenta DU>O

Qv (-) El calor fluye hacia el entorno La energía del sistema disminuye

PROBLEMAS  Calcular el DU y Qv para la transformación de 1 mol de helio a volumen constante de 25 °C a 45 °C; el Cv molar es de 3 / 2 R  Un mol de un gas ideal, con Cv molar de 20.8 J/mol∙K, se transforma a volumen constante desde 0 °C hasta 75 °C. Calcule Q, W, DU

 Un mol de un gas ideal se somete a varios cambios de estado, 𝐶𝑣ҧ = 12. 47 J/K. mol ¿Cuál será el cambio de temperatura en cada cambio?  A) El sistema cede 512 J de calor, se destruyen 134 J de trabajo.  B) El sistema absorbe 500 J de calor, se producen 500 J de trabajo.  C) No hay transferencia de calor, se destruyen 126 J de trabajo.

EXPERIMENTO DE JOULE  Expansión.  No se observó cambio de T  Pop=nula, dW=0 EXPANSIÓN LIBRE DEL GAS (^16)

 De la 1ª. Ley:  Como no varía la temperatura y es una expansión libre del gas: T (^) sistema=Tentorno (están en equilibrio térmico; la temperatura del sistema no varía dT=0 ) 𝑑𝑈 =

𝑉

𝑇

𝑑𝑄 − 𝑃𝑜𝑝𝑑𝑉 = 𝜕𝑈 𝜕𝑇 𝑉 𝑑𝑇 + 𝜕𝑈 𝜕𝑉 𝑇 𝑑𝑉 𝑑𝑈 =

𝑇

Y como dV≠0 , 𝜕𝑈 𝜕𝑉 (^) 𝑇 = 0 La energía interna es independiente del volumen, la energía del gas es función sólo de la temperatura: LEY DE JOULE U=f(T) Se aplica para gases ideales No aplica para gases reales No aplica para sólidos, ni líquidos 𝜕𝑈 𝜕𝑉 (^) 𝑇 = 0 Una cantidad pequeña y (+)

ECUACIÓN COMPLETA: 𝑑𝑈 =

𝑇

𝑉

𝑇

Para evitar errores

CAMBIOS DE ESTADO A PRESIÓN CONSTANTE M: flota libremente. Su posición de equilibrio está determinada por Pop=P Pop: Presión de oposición desarrollada por la masa M