Primer principio de la termodinámica

¡Hola!

¿Qué tal estás? Hoy vamos a comenzar con el tema de termodinámica, en concreto nos vamos a centrar en el primer principio de la termodinámica.

Los puntos que vamos a tratar son:

Aquí tienes la explicación en vídeo.

Conceptos previos

La termodinámica es la ciencia que estudia los cambios de energía que tienen lugar enlos procesos físicos y químicos. En toda reacción química se produce una absorción o un desprendimiento de energía, generalmente calorífica. En concreto, la termodinámica clásica estudia la variación de las variables de un sistema entre dos estados de equilibrio, uno inicial y otro final.

El sistema es la parte del universo sobre la que se centra el estudio termodinámico y al resto del universo se le llama entorno. El límite entre el sistema y su entorno se le denomina pared.

La pared puede ser:

  • Adiabática: No deja pasar el calor.
  • Conductora: Sí deja pasar el calor.
  • Rígida: Mantiene constante el volumen del sistema.

Los sistemas pueden ser:

  • Abiertos: pueden intercambiar materia y energía con el entorno.
  • Cerrados: pueden intercambiar energía pero no materia con el entorno.
  • Aislados: no pueden intercambiar ni materia ni energía con el entorno.

Las variables termodinámicas son las magnitudes que determinan el estado de
un sistema. Pueden ser:

  • Intensivas: No dependen de la cantidad de materia del sistema y se pueden determinar en un punto cualquiera del sistema (P, T, concentración, etc)
  • Extensivas: Dependen de la cantidad de materia del sistema y se extienden a todo el sistema (m, V, S, U, etc).

Una función de estado es una variable termodinámica que sólo depende del estado inicial y final del sistema, sin importar el camino que ha seguido para llegar de un punto a otro. ( entalpía, energía interna, entropía (S), Energía libre de Gibbs. etc)

Un Sistema está en equilibrio si las variables que definen el estado del sistema no varían con el tiempo.

Calor y trabajo

El intercambio de energía entre un sistema y su entorno se puede dar en forma de calor (Q) y de trabajo (W). La energía es una función de estado, sin embargo, el calor y el trabajo no, éstos son energía en tránsito.

Calor

Es la energía térmica intercambiada de forma espontánea o natural entre dos cuerpos (o entre un sistema y su entorno) que se encuentran a diferente temperatura. Se transfiere del que tiene más temperatura al que tiene menos, hasta que se alcanza el equilibrio térmico.

Se calcula: undefined

Donde Ce es el calor específico, la cantidad de calor que hay que suministrar a 1 g de sustancia para que aumente su temperatura 1 ºC, m es la masa y ∆T es la diferencia de temperatura.

Signo del calor:

  • Q>0: si ∆T>0, es decir, si aumenta la temperatura (calor absorbido)
  • Q<0: si ∆T<0, es decir, si disminuye la temperatura (calor cedido)

Trabajo

Se define como la transmisión de energía debido a la acción de una fuerza que lleva consigo un desplazamiento o un cambio de volumen. En química nos interesa el trabajo de espansión-compresión que se asocian a cambios de volumen que puede experimentar un sistema.

Se calcula: undefined

Donde P es la presión y ∆V es la variación de volumen.

Signos del trabajo:

  • W>0: si ∆V<0, es decir, si disminuye el volumen (trabajo de compresión realizado por el entorno sobre el sistema)
  • W<0: si ∆V>0, es decir, si aumenta el volumen (trabajo de expansión realizado por el sistema)

Lo que entra al sistema (Q o W) provoca un aumento de su energía interna y se le asigna signo + , mientras que lo que sale, provoca una disminución de energía interna y se considera con signo -.

Unidad de energía, calor y trabajo: Según el Sistema Internacional (SI) es el julio. Aunque otra unidad que también se emplea mucho son las calorías: 1 cal= 4,184 J

Primer principio de la termodinámica

La energía interna de un sistema aumenta cuando el sistema absorbe calor o soporta un trabajo.

Donde la energía interna (U) es una función de estado extensiva que representa la energía total almacenada en un sistema asociada a la estructura del mismo y es la suma de las energías (cinética, potencial) de todas las partículas que conforman el sistema. Como es una función de estado, sólo depende del estado inicial y final, no del camino recorrido entre uno y otro.

Este primer principio se corresponde con el principio de la conservación de la energía:
“la energía del Universo (sistema más entorno) permanece constante” a un sistema
cerrado.

Casos particulares:

  • Transformación a volumen constante (V=cte):

Si ∆V=0–> W=0–> undefined

El calor absorbido o desprendido por el sistema a volumen constante es igual a la variación de energía interna del sistema.

  • Transformación a presión constante (P=cte):

El calor absorbido o desprendido por el sistema a presión constante es igual a la variación de la entalpía del sistema.

Las magnitudes ∆H(Qp) y ∆U(Qv) se relacionan mediante:

Siendo ∆n el incremento de moles gaseosos en la reacción.

Problemas resueltos

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