TEMAS SELECTOS DE FISICOQUÍMICA

1. Maestría en Ciencia e Ingeniería de Materiales. PEÑOLES TEMAS SELECTOS DE FISICOQUÍMICA Dr. René D. Peralta. Dpto. de Procesos de Polimerización. Correo electrónico: rene@ciqa.mx Tel. 01 844 438 9830 Ext. 1260. ¡¡BIENVENIDOS!!

2. CONTENIDO DEL CURSO 1. Introducción. 2. Motivación. ¿Por qué un curso de fisicoquímica?  3. Principios fundamentales.  4. Gases.  5. La primera ley de la termodinámica.

3. CONTENIDO DEL CURSO Condiciones estándarnormales. Son 298.15 K y 1.01 bar (25°C y 1 atmósfera) de presión. En una reacción química, los estados físicos de reactantes y productos se indican en condiciones estándarnormales. Detalles condiciones estándar.

4. Termodinámica: trata con los efectos producidos cuando una substancia presenta un cambio. LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÀMICA Substancia (s): la(s) que intervienen en esos cambios se llama(n) sistema. SISTEMAS Y PROCESOS El cambio efectivo o real que ocurre se llama proceso. Sistema A Sistema B

5. LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÀMICA Propiedades de un sistema. • Energía interna, U (con frecuencia, E). • Energía externa, pV (con frecuencia, PV). • Energía cinética, mc2/2. • Energía potencial, z. • Energía superficial. SISTEMAS Y PROCESOS Energía superficial. Sistema A Sistema B

6. Propiedades de un proceso. LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÀMICA • Calor absorbido, q. • Trabajo, w. • Energía radiante. SISTEMAS Y PROCESOS Significado de los términos empleados.

7. Energy & Chemistry ENERGY is the capacity to do work or transfer heat. HEAT is the form of energy that flows between 2 objects because of their difference in temperature. Other forms of energy — • light • electrical • kinetic and potential http://xbeams.chem.yale.edu/~batista/113/chapter6/ch6.ppt

8. LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÀMICA Significado de los términos empleados. Energía Interna. Energía interna, U: todas las substancias la poseen. Su cantidad depende del movimiento y distribución espacial de las partículas que forman átomos y moléculas. Solo se puede medir su incremento, U, pero no su valor absoluto. U > 0 cuando aumenta la energía interna de un sistema.

9. PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA Internal Energy La energía interna se refiere a la energía microscópica en escala atómica y molecular. Ejemplo del vaso de agua sobre una mesa. No aparente energía cinética ni potencial.

10. LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÀMICA Significado de los términos empleados. Energía Interna. La energía interna (U) está definida como la energía asociada con el movimiento aleatorio, desordenado de moléculas. Está separada en escala de la energía macroscópica ordenada, asociada con objetos en movimiento; se refiere a la energía microscópica invisible en la escala atómica y molecular.

11. LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÀMICA Significado de los términos empleados. Energía Interna. El cambio en energía interna es igual a la que se tiene al final menos la que se tenía al principio: U = U2 – U1 Esta diferencia se cuantifica como U = Q – W: energía absorbida de los alrededores menos la energía pérdida a los alrededores en forma de trabajo externo producido por el sistema.

12. LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÀMICA Significado de los términos empleados. Energía Interna. Sí la ecuación: U = Q – W, se escribe como: Q = U + W, definimos una nueva propiedad o término adicional conocido como entalpía, que tiene el símbolo H, para una reacción a presión constante.

13. Significado de los términos empleados. LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÀMICA Energía Interna. La cantidad U depende del movimiento y distribución espacial de las partículas que forman átomos y moléculas. Un ejemplo para ilustrar el cambio en energía interna (Shireby, pág. 7).

14. Energía Interna. LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÀMICA U no depende del camino recorrido sino solo de los estados inicial y final del sistema. Sistema A Sistema B C6H6 (líq.) + 7½ O2 (gas) 3H2O (líq.) + 6CO2 (gas) U = - 782 kcal, a 25 °C ¿Qué no está de acuerdo con lo que hemos aprendido?

15. Energía Interna. Hacer ejercicio similar al anterior. LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÀMICA El calor de formación del agua, H°, a 25°C y 1 atm de presión es -68,318 calmol-1. Calcule U °. El calor de formación es el calor que se desprende (o absorbe) al formar una mol del material a partir de sus elementos. Usa unidades SI en todos tus cálculos. (Drago, pág. 14). Sistema A Sistema B U° = - 68,318 cal mol-1, a 25 °C H2 (g)+ ½ O2 (g) H2O (l) Expresar resultados en unidades SI.

16. Energía Interna. Hacer ejercicio en la pág. 10 de Shireby. LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÀMICA Un átomo gramo de hierro puro se disuelve en HCldiluído a 18°C. El calor desprendido es de 20,800 calorías. Calcula el cambio de energía interna del sistema. Usa unidades SI en todos tus cálculos. Sistema A Sistema B Fe (s) + 2 HCl FeCl2 + H2 Q = - 20,800 cal a 18 °C Expresar resultados en unidades SI.

17. Significado de los términos empleados. LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÀMICA Energía externa. Es la energía que posee una substancia en función del espacio que ocupa. Es el producto de la presión por el volumen: pV. http://www.allaboutscience.org/first-law-of-thermodynamics-faq.htm

18. Energía externa. Es la energía que entra al sistema. LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÀMICA Un ejemplo de como actúa la Primera Ley de la Termodinámica es la máquina de el movimiento perpetuo. Nadie ha construido jamás una máquina que pueda continuar moviéndose por siempre sin alguna fuente de energía externa que la mantenga en movimiento. Cada máquina requiere algo de entradas para continuar moviéndose. Estas entradas pueden ser el viento, reacciones químicas, magnetos, etc. La razón por la que las máquinas no pueden moverse indefinidamente es la fricción. http://www.allaboutscience.org/first-law-of-thermodynamics-faq.htm

19. Significado de los términos empleados. Energía cinética. LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÀMICA Es la que posee una substancia a causa de su movimiento. La energía cinética de un cuerpo es una energía que surge en el fenómeno del movimiento. Está definida como el trabajo necesario para acelerar un cuerpo de una masa dada desde el reposo hasta la velocidad que posee.

20. LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÀMICA Significado de los términos empleados. Energía cinética. Temperature is a number that is related to the average kinetic energy of the molecules of a substance. If temperature is measured in Kelvin degrees, then this number is directly proportional to the average kinetic energy of the molecules. http://zonalandeducation.com/mstm/physics/mechanics/energy/heatAndTemperature/gasMoleculeMotion/gasMoleculeMotion.html

21. LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÀMICA Significado de los términos empleados. Energía cinética.

22. LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÀMICA Significado de los términos empleados. Energía cinética. Only kinetic energy.

23. Significado de los términos empleados. LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÀMICA Calor absorbido, Q (a veces, q). Se utiliza para describir la transferencia de energía interna de una substancia a otra, promovida por un cambio en temperatura, T. Trabajo realizado POR un sistema sobre sus alrededores: q > 0.

24. La primera ley de la termodinámica. U > 0

25. La primera ley de la termodinámica.

26. PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA El trabajo mecánico es la cantidad de energía transferida mediante una fuerza actuando a través de una distancia. Al igual que la energía, es una cantidad escalar, con unidades SI de joules. El término trabajo fue usado por primera vez en 1826 por el matemático francés Gaspard - Gustave Coriolis. Conservación de la energía mecánica.

27. PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA La conservación de la energía mecánica es un principio que establece que, bajo ciertas condiciones, la energía mecánica total de un sistema es constante. Esta regla no aplica cuando la energía mecánica es convertida en otras formas, tales como química, nuclear, o electromagnética. http://peswiki.com/index.php/Mechanical_work Conservación de la energía mecánica.

28. PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

29. La energía potencial es energía que mide la capacidad que tiene un sistema para realizar trabajo en función exclusivamente de su posición o configuración. Puede pensarse como la energía almacenada en el sistema, o como una medida del trabajo que un sistema puede entregar. PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA La energía potencial existe en donde quiera que un objeto que tiene masa tiene una posición dentro de un campo de fuerza. El ejemplo mas popular de esto es la posición de objetos en el campo gravitacional de la tierra. http://jersey.uoregon.edu/vlab/PotentialEnergy/

30. En este caso la energía potencial de un objeto esta dada por la relación: PE = mgh PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA A veces (lo diremos en su momento) usaremos U: U = mgh En la ecuación, m representa la masa del objeto, h la altura del objeto y g representa la aceleración de la gravedad (9.8 m/(ss) en la Tierra). http://jersey.uoregon.edu/vlab/PotentialEnergy/

31. Función de energía potencial. Sí una fuerza actuando sobre un objeto es una función solamente de la posición, se dice que es una fuerza conservativa, y puede ser representada mediante una función de energía potencial, U, la cual para un caso uni-dimensional satisface la condición derivativa: PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/pegrav.html#pei

32. La forma integral de esta relación es PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA Que puede tomarse como una definición de energía potencial. Note que hay una constante de integración arbitraria en esa definición, mostrando que cualquier constante puede agregarse a la energía potencial. Prácticamente, esto significa que puedes fijar la energía potencial en cero en cualquier punto que sea conveniente. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/pegrav.html#pei

33. PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA Energía potencial :mide la capacidad que tiene un sistema para realizar trabajo en función exclusivamente de su posición o configuración. Es la energía almacenada en el sistema, o como una medida del trabajo que un sistema puede entregar. Ejemplos comunes.

34. PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA Energía potencial : Use este principio para determinar los espacios en blanco en el siguiente diagrama. Conociendo que la energía potencial en la parte de arriba de la plataforma es 50 J, ¿cuál es la energía potencial en las otras posiciones mostradas en los escalones y en la rampa? http://www.physicsclassroom.com/class/energy/u5l1b.cfm

35. Energía Potencial Química. PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA La Energía Potencial Química es una forma de energía potencial relacionada con los arreglos estructurales de átomos o moléculas. Estos arreglos pueden ser el resultado de enlaces químicos dentro de una molécula u otras formas. La Energía Potencial Química de una substancia química puede ser transformada a otras formas de energía mediante una reacción química. http://en.wikipedia.org/wiki/Potential_energy

36. Energía Potencial Química. PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA El término similar potencial químico es usado en química y termodinámica para indicar el potencial de una substancia para sufrir una reacción química. Ya nos veremos luego.

37. Potential Energyon the Atomic Scale • Positive and negative particles (ions) attract one another. • Two atoms can bond • As the particles attract they have a lower potential energy NaCl — composed of Na+ and Cl- ions. http://xbeams.chem.yale.edu/~batista/113/chapter6/ch6.ppt

38. Potential Energyon the Atomic Scale • Positive and negative particles (ions) attract one another. • Two atoms can bond • As the particles attract they have a lower potential energy

39. Potential & Kinetic Energy Kinetic energy — energy of motion.

40. Internal Energy (E) • PE + KE = Internal energy (E or U) • Int. E of a chemical system depends on • number of particles • type of particles • temperature

41. PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA Primera ley de la termodinámica: es una expresión del principio de la conservación de la energía y establece que la energía puede ser transformada (cambiada de una forma a otra) pero no puede ser creada o destruida. La cantidad total de energía de un sistema aislado permanece constante, pero puede cambiar de una forma a otra. Conservación de la energía.

42. PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA Primera ley de la termodinámica: establece que, al suministrar una determinada cantidad de energía térmica (Q) a un sistema, la energía interna (ΔU) será igual a la diferencia del incremento de la energía suministrada al sistema (Q) menos el trabajo (W) efectuado por el sistema sobre sus alrededores. Conservación de la energía. ΔU = Q - W

43. Trabajo presión - volumen. PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA Trabajo termodinámico: generalización del concepto de trabajo mecánico en mecánica. En termodinámica: trabajo desarrollado por un sistema es la cantidad de energía transferida por el sistema a otro y que es tomada en cuenta en una forma particular, es decir, mediante cambios en las restricciones mecánicas generalizadas sobre el sistema.

44. Trabajo presión - volumen. PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA • Restricciones mecánicas generalizadas: • Químicas. • Electromagnéticas. • Gravitacionales. • Presión – volumen. • Otros (momento, radiación). La primera ley de la termodinámica está relacionada con cambios en la energía interna de un sistema mediante dos formas de transferencia de energía: ΔU = Q - W

45. Trabajo presión - volumen. PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA El trabajo termodinámico se define solamente como medible a partir del conocimiento de tales variables macroscópicas restrictivas. Estas variables siempre se encuentran en pares conjugados: presión y volumen, densidad de flux magnético y magnetización, fracción molar y potencial químico.

46. Trabajo presión - volumen. PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA El trabajo termodinámico está definido estricta y completamente mediante sus variables mecánicas externas generalizadas. El calor, Q. ΔU = Q - W La otra forma de transferencia de energía es el calor, Q. Este se mide mediante cambios de temperatura de una cantidad conocida de substancia material calorimétrica.

47. Trabajo presión - volumen. PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA Esta diferencia entre trabajo y calor es la esencia crucial de la termodinámica. Trabajo: se refiere a formas de transferencia de energía que pueden tomarse en cuenta mediante cambios en las restricciones físicas externas sobre el sistema. Ejemplo: la energía que se utiliza para expandir el volumen de un sistema en contra de una presión externa; empujando un pistón hacia afuera de un cilindro contra una fuerza externa.

48. Trabajo presión - volumen. PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA La TermodinamicaQuímica estudia el trabajo PV, el cual ocurre cuando cambia el volumen de un fluido. El trabajo PV se representa mediante la siguiente ecuaciondiferencial : • En donde: • W = trabajo hecho sobre el sistema. • P = presión externa. • V = volumen.

49. Trabajo presión - volumen. PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA En forma integral:. ME FALTA UNA FIGURA PARA VISUALIZAR TRABAJO PV: EL FAMOSO PISTÓN Ejemplo: la energía que se utiliza para expandir el volumen de un sistema en contra de una presión externa; empujando un pistón hacia afuera de un cilindro contra una fuerza externa.

50. Trabajo presión - volumen. PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA