TERMODINAMICA Y ENERGIA
CIENCIAS NATURALES SEGUNDO CICLO BÁSICO
Contenidos de la unidad 1 Clasificación y características de la materia 2 La energía. Distribución y Cuantificación 3 Termodinámica 4 Energías 5 TEST
∆E = 0
La energía. Distribución y Cuantificación Como y por que ocurren los procesos físico-químicos (evaporación de un líquido, formación de una solución etc.) y de las reacciones químicas en general .
- Interpretación del comportamiento experimental que observamos en el sistema macroscópico, en términos de la estructura microscópica del sistema. - Porque Ocurren.
Construir en nuestra mente un modelo de la estructura de la materia, para explicar los hechos experimentales y Derivar a partir del modelo propuesto, las leyes que rigen el comportamiento experimental
Materia átomos generan moléculas o agregados
Otros factores Ej H2O
Posibilidad de movimiento a nivel microscópico Traslaciones Vibraciones Rotaciones
El sistema es capaz de acumular E o realizar trabajo
Podremos aplicar los principios de las leyes de mecánica Clásica
-Inercia. - Conservación del momento. - Aceleración. (F*m) -Energía Cinética. (1/2 m * v2) -Trabajo (F * dx)
La Energía a nivel macroscópico: 1.- Distintas formas de Energía. 2.- La Energía es relativa. 3.- Las distintas formas de energía pueden transformarse.
-E Cinética. - E Potencial. - E. Electrónica -E Magnética
La Energía a nivel macroscópico: 1.- Distintas formas de Energía. 2.- La Energía es relativa. 3.- Las distintas formas de energía pueden transformarse.
La Energía a nivel macroscópico: 1.- Distintas formas de Energía. 2.- La Energía es relativa. 3.- Las distintas formas de energía pueden transformarse.
La Energía a nivel microscópico: 1.- E. cinética 2.- E. potencial.
Movimiento átomos y moléculas.
La Energía a nivel microscópico: 1.- E. cinética 2.- E. potencial.
Fuerzas entre partículas o campo externo, por lo que el sistema tiene la posibilidad de realizar trabajo al variar la distancia entre las partículas y la E pot. dependerá de la ubicación de cada una de las partículas.
Factores que determinan la energĂa potencial en un sistema formado por dos cargas elĂŠctricas:
1.- Si las cargas son del mismo signo: Ep
+
+
Distancia
2.- Si las cargas son distinto signo:
Ep
+
? Distancia
-
La energía potencial de un sistema constituido por muchas partículas puede deberse a la posición del centro de masa del sistema o a la posición relativa de las partículas que lo forman. De igual manera, la Ec total incluye un término derivado del movimiento del centro de masa con respecto a un sistema de coordenadas externo y los movimientos relativos de las partículas. Ejemplo: un mol de agua líquida se tiene: a) Ep del centro de masa del sistema debido a las fuerzas gravitacionales. b) Ec con respecto a un eje fijo en un eje de coordenadas externo. c) Ep derivada de las distancias entre las moléculas y de las distancias entre los átomos de una misma molécula. d) Ec derivada de los movimientos relativos de una molécula con respecto a las otras y de un átomo con respecto a los otros en una misma molécula
E. interna: la molécula de Bromo: 1.- Fuerzas atractivas entre átomos. Energía Química 2.- Fuerzas entre moléculas. Calores Latentes. 3.- Movimientos relativos de los átomos dentro de una molécula y de las moléculas con respecto al recipiente que las contiene. - Translación. - Vibración. - Rotación.
La energía dependerá del estado de agregación, de la presión y la temperatura.
2 Br
Br2 gas
Br2 líquido Br2 sólido
Calor de disociación
Calor de vaporización Calor de fusión
•La Ep. Entre dos moléculas depende de la distancia y de la orientación. •En Fase condensadas, una molécula interacciona con varias moléculas en forma simultánea. •La asignación térmica “saca” a la molécula de su pozo de energía.
En un sólido, todas las moléculas ocupan las posiciones de menor energía potencial, al calentar sólo aumentamos las oscilaciones alrededor de esta posición. Llega un momento en que la agitación es suficiente para que las moléculas puedan rotar y desplazarse una con respecto a las otras. En este momento se produce la fusión del sólido.
Concepto de distribución:
En los ejemplos anteriores se subentiende que a una dada temperatura T, se tiene una “distribución” de energías. El concepto de distribución (que implica distintos valores de una propiedad para los distintos componentes de un sistema), es inherente al modelo propuesto. Dado un conjunto de elementos que tienen asociada una propiedad X, que puede tener valores X1, X2, X3… obtener una distribución significa conocer cuantos elementos tienen el valor X1, cuantos X2…., osea la relación en etre ni, (número de elementos con valor Xi), y Xi.
Xi ni = A exp B
Al conocer la distribución se tiene la máxima información con respecto a la variable X a nivel microscópico. Sin embargo, en la mayoría de los casos las variables macroscópicas de interés se relacionan con el varor medio de la propiedad:
1 X = ∑ ni x i N i
X = ∑ Xini = X N
Cuantificación de la energía • E. Trasnacional. •E. Rotacional. •E. Vibracional •E. Electrónica 1.- Puede la energía total ser considerada como la suma de todos los tipos de energías. 2.- Cuantos términos debemos considerar. 3.- Cuanto varía la energía en cada uno de los modos. 1.- SI
2.- Para fijar la posición y el movimiento, se precisa tener 3 coordenadas por átomo. Por ende 3N modos totales. Traslaciones Rotaciones Ej: He, H2, H2O
vibraciones
3:::: 1) de manera teórica, a partir de un tratamiento cuántico de la molécula, resolviendo la ecuación de onda de Schrödinger. 2) Experimentalmente
I)
Todos los modos considerados varían su energía en forma discontinua, es decir, están cuantificados.
II)
La separación entre los niveles de energías permitidos para cada uno de los modos sigue el sig orden: traslacional<< rotacional< vibracional<< electronico.
III) Cada uno de los modos rotacionales de una molécula no lineal puede tener un espaciado distinto.
IV) Cada uno de los modos vibracionales puede tener un espaciado distinto.
Termodinámica Estudia los niveles de ener gía y la tr ansfer encia de ener gía entr e sistemas y entr e difer entes estados de la mater ia.
La Tierra es un sistema dinámico, donde sus componentes son transportados y cambian de forma y composición mediante una serie de procesos como Fusión Disolución Vaporización Cristalización Precipitación
Los métodos de termodinámica química emplean para Predecir la manera en que los sistemas responden a cambios en presión, temperatura y composición química.
La termodinámica solamente es útil cuando se aplica a sistemas en equilibrio. Si un sistema en equilibrio es perturbado, la termodinámica puede predecir el nuevo estado de equilibrio, pero no puede predecir como, que tan rápido o si se alcanzará ese estado de equilibrio.
D efiniciones SI ST EM A Cualquier parte del universo que se desea estudiar. La posición exacta de las fronteras del sistema se fija de acuerdo al problema que se desea estudiar. Un sistema puede ser por ejemplo un grupo de átomos, de minerales o de rocas. Los cambios que ocurren en el sistema pueden o no involucrar interacción con el entorno.
1.- PAREDES
a) Permeables b) Impermeables c) Adiabáticas d) Diatérmicas
Sistema aislado Tienen energía y masa constante debido a que sus fronteras son - rígidas, por lo que no permiten el intercambio de energía mecánica; - perfectamente aisladas, impidiendo el flujo de calor; - impermeables al intercambio de materia. Estos sistemas no ocurren en la naturaleza, sin embargo son importantes porque las reacciones que ocurren en sistemas aislados son aquellas que no pueden liberar o absorber calor o cualquier otra forma de energía.
Sistema cerrado Transferencia de energía hacia dentro o hacia afuera del sistema; no hay intercambio de materia. Tienen masa y composición constante, pero niveles de energía variables. Como el intercambio de materia es un proceso lento, aquéllos procesos que ocurren en corto tiempo se pueden considerar como sistemas cerrados.
Sistema abierto Transferencia tanto de energía como de materia hacia dentro o hacia afuera del sistema. El sistema puede estar abierto a una especie o varias especies químicas. La mayoría de los sistemas geológicos son abiertos, al menos en el contexto de la larga duración que pueden tener.
Sistema adiabático Categoría especial de los sistemas aislados en el cual no hay intercambio de calor con el entorno, pero se puede transferir energía a través de las fronteras del sistema en forma de trabajo. Una pluma del manto o un cuerpo de magma que asciende y se descomprime, se enfría mientras que se expande hacia el entorno y realiza un trabajo expansivo (P∆V). Muy poco calor es conducido al entorno debido a que la tasa de conducción de calor es baja.
F ASE Cuerpo homogéneo de materia (sólido, líquido o gas) con fronteras definidas hacia otras fases, y que puede ser separado mecánicamente de las otras fases. Un sistema puede estar compuesto por una fase (sistema homogéneo) o por dos o más fases (sistema heterogéneo). P. ej. todos los cristales de olivino en una roca constituyen la fase olivino; una solución de sal o una mezcla de gases constituyen una sola fase.
COM PON EN T ES Describen la composición química de un sistema. Se define como el conjunto menor de fórmulas químicas necesarias para describir la composición de todas las fases de un sistema. Fase: Olivino: Solución sólida de (Mg, Fe)2SiO4 Componentes: Mg2+ Fe2+ Si4+ O2-
MgO FeO SiO2
Mg2SiO4 (Fo) Fe2SiO4 (Fa)
EQU I L I BRI O
Un sistema está en equilibrio termodinámico cuando no se observa ningún cambio en sus propiedades termodinámicas a lo largo del tiempo.
Este estado tiene dos atributos: 1. En un sistema en equilibrio ninguna de sus propiedades cambian con el tiempo. 2. Un sistema en equilibrio retornará a ese estado después de haber sido perturbado, esto es, al cambiar ligeramente uno o más parámetros y regresarlos nuevamente a sus valores originales.
Cualquier sistema que tenga gradientes de temperatura, presión o composición, tenderá a cambiar hasta eliminar esos gradientes. P. ej. Una lava emplazada en la superficie, no está en equilibrio con el aire que la rodea, y se enfriará.
Equilibrio estable Nivel de energía más bajo. Reúne los atributos de equilibrio. P. ej. grafito.
Analogía mecánica de un sistema químico.
Los sistemas naturales tienden a estados de mínima energía.
Equilibrio metaestable Reúne los atributos de equilibrio, pero no tiene el nivel energético más bajo. Sólo si se supera la barrera de energía (energía de activación) se accederá al estado estable. P. ej. Diamante en la superficie de la tierra Sistema inestable 1: Reúne primer atributo de equilibrio, pero no el segundo. 2: No reúne ninguno de los atributos
La forma estable de una sustancia es diferente a diferentes condiciones. Ejemplos 1) A +5ºC la forma estable de H2O es agua, y a –5ºC es hielo. 2) A alta P y T, la forma estable de C es diamante, a baja P y T es grafito.
VARI ABL ES o PROPI ED AD ES D E EST AD O
Los sistemas en equilibrio tienen propiedades mensurables. Una propiedad es cualquier cantidad que tiene un valor fijo e invariable en un sistema en equilibrio. (p. ej., temperatura, densidad, volumen). Estas variables caracterizan a los estados termodinámicos y dependen sólo del estado presente del sistema y no de la forma en que se alcanzó ese estado.
Propiedades extensivas Son proporcionales a la cantidad de materia considerada y por lo tanto dependen del tamaño del sistema. Estas propiedades son aditivas; el valor del todo es igual a la suma de las partes. P. ej. volumen, masa, energía.
Propiedades intensivas Son independientes de la cantidad de materia (del tamaño del sistema). No son aditivas. P. ej., concentración, temperatura, presión. Incluye propiedades molares, como el volumen molar.
PROCESOS Son aquellos que afectan a un sistema termodinámico al cambiar de un estado a otro (p. ej. una reacción química). La trayectoria seguida en el cambio entre estados no es materia de la termodinámica, sino de la cinética. Se reconocen dos tipos extremos e ideales de proceso termodinámico:
Proceso termodinámico irreversible Cambio de un estado metaestable a un estado más estable de menor energía. Ejemplo: Conversión de vidrio metaestable a cristales bajo condiciones atmosféricas (devitrificación). La devitrificación ocurre espontáneamente en la dirección de menor energía.
Proceso termodinámico reversible Cambio de un estado inicial estable a un estado final también estable, pasando por una secuencia continua de estados de equilibrio. En la naturaleza no existen procesos perfectamente reversibles, se emplean sólo como modelos termodinámicos.