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TERMODINAMICA
Introducción:
Desde los orígenes del Universo, hasta hoy, la materia ha estado
experimentando una serie de transformaciones que han ido
conformando nuestro mundo. Son dos los actores fundamentales en
etas transformaciones: la materia y la energía que se convierten una en
otra a cada momento.
A diario y sin darnos cuenta, hacemos uso de las transformaciones de la
materia y la energía, por ejemplo cuando convertimos el gas o la leña en
calor a través de la combustión, al descomponerse una fruta o al
oxidarse un metal.
¿Cuánto sabes?
1.- La energía fluye en el universo y tiene la capacidad de:
a) Almacenarse b) absorberse c) transformarse
2.- ¿Qué instrumento sirve para medir la energía liberada en
una reacción química?
a) Termómetro b) calorímetro c) densímetro
3.- La descomposición del agua en sus elementos químicos:
a) Libera energía b) transforma energía c) absorbe energía
4.- En una reacción química se libera energía almacenada en
los:
a) Elementos
b) átomos c) enlaces
La termodinámica estudia las reacciones entre calor
y otras clases de energía.
MATERIA  ENERGÍA
cara visible
cara oculta
 Explica por qué las reacciones tienen lugar y nos permite
predecir la cantidad de calor que liberan y el trabajo que
pueden realizar.
 Forma parte de nuestras vidas, ya que el calor emitido
por los combustibles al quemar y los recursos energéticos
aportados por los alimentos que ingerimos, están gobernados
por principios termodinámicos
UNIVERSO = SISTEMA + ENTORNO
Para realizar una investigación se
debe establecer dónde está el
fenómeno en estudio y señalar
cuales son sus límites y entorno.
1.- Sistema: es lo que se
desea estudiar,
considerando las
propiedades que tiene.
2.- Entorno: es la zona en
que se produce el
intercambio de algún
atributo con el sistema
3.- Límite: es la separación
del sistema real o
imaginario con su entorno
4.- Universo: es el conjunto
de sistema y entorno de
una investigación.
Ejemplo:
1) ¿Qué pasaría si las puertas y ventanas estuvieran abiertas?

Si están abiertas, las alumnas podrían entrar y salir. Hay
intercambio de materia.
 Si están abiertas entra y sale ruido. Hay intercambio de
energía
 Se produce un sistema abierto.
2) ¿Qué pasaría si las puertas están cerradas?
 No hay intercambio de alumnas, pero si de ruido. Es un
sistema cerrado.
3) ¿Qué pasaría si puertas y ventanas están cerradas?
 Si puertas y ventanas se cierran y se acolcha toda la sala,
tenemos un sistema aislado.
Resumiendo:
 Tema de estudio: medición del ruido
 Sistema: sala ( cantidad de alumnas , nivel de ruido,
profesor)
 Límite: paredes de la sala de clases
 Entorno: paredes del colegio
 Universo: Copiapó
 Tipo de sistema: ?
Ejemplo: comportamiento de las aves durante su ciclo
reproductivo
Tipo de sistema: Abierto
Límite: hábitat de las aves y la parte no frecuentada por
ellas
Entorno: zona de intercambio de materia y energía
Universo: ecosistema
Ejemplo: Aplicación de un programa de rehabilitación
de drogadictos.
Tipo de sistema: cerrado
Sistema: Casa de acogida ( centro de rehabilitación)
Límite: paredes de la casa o del edificio
Entorno: espacio que rodea a la casa
Universo: Ciudad en que se ubica la casa
Ejemplos de sistema: ( ¿abierto, cerrado o aislado?)
1- una hormiga…………………………………………
2.- casa con patio……………………………………
3.- botella de bebida gaseosa tapada…………………………………
4.- La Tierra…………………………………….
5.- Termo………………………………
6.- Estudio de grabación………………………………
7.- Universo……………………………….
8.- Libro…………………………
9.- Refrigerador…………………………………….
10.- Diario de vida……………………………………
Los sistemas materiales pueden ser de varios tipos:
A.- En función del recipiente que los contiene:
a) Sistema abierto: son aquellos que intercambian
materia y energía con el ambiente. Ej: combustión de
gasolina, de la madera al aire libre o en recipiente
con paredes permeables.
b) Sistema cerrado: son aquellos que no intercambian
materia con el entorno , pero si energía. Ej:
recipiente herméticamente cerrado pero con paredes
diatérmicas
c) Sistema aislado: son aquellos que no pueden
intercambiar con el entorno ni materia ni energía.
( estos son solamente teóricos, ya que no se conoce
ningún material capaz de contener al calor)
B.- En función de los estados de agregación de sus
componentes:
a) Sistema homogéneo: cuando todos los componentes
del sistema están en el mismo estado de agregación,
o sea, el sistema consta de 1 fase.
Ej: CH4(g) + 2 O2(g)  CO2(g) + 2H2O(g)
b) Sistema heterogéneo: cuando los componentes del
sistema están en varias fases o estados de agregación.
Ej: MgCO3 (s)  CO2(g) + MgO(s)
Sistema y variables de estado
Para describir un sistema, es necesario conocer el valor de una
serie de variables que determinan el estado inicial (Ei) y el
estado final (Ef ), a estos se les llama variables o propiedades
de estado: Volumen, presión, temperatura y masa.
El cambio de estado se expresa :
X = Xf – X i
Ejemplo: Considera que tienes un trozo de cobre que pesa 30 g y
está a una temperatura de 40°C. Al dejarlo sobre una mesa se
enfría poco a poco hasta alcanzar una temperatura de 18°C. se
produjo un cambio de estado que se registra como una
modificación de la temperatura:
= 18°C - 40°C = -22 °C
Relacionemos las variables de estado
Un sistema físico o químico es mucho más sencillo que
un sistema viviente. Para los primeros, bastará conocer
su composición, presión, volumen, temperatura y
concentración para poder determinar el estado inicial
y final del sistema.
Por ejemplo, si a un sistema gaseoso se le aplica una
presión responderá ( se comportará) siempre de la
misma manera: disminuirá su volumen, según la
siguiente ecuación, establecida experimentalmente:
P.V=n.R.T
P es la presión, V es el volumen, n es el número de moles
del gas, R es una constante de los gases y T es la
temperatura.
La relación entre las variables de estado de un sistema se
llama ecuación de estado. Por lo tanto, la ecuación
descrita, es la ecuación de estado de un sistema
gaseosos y el valor de cualquiera de las variables
dependerá de los valores de las otras tres; si una se
modifica alguna otra también lo hará. Por ejemplo, si P
aumenta, v deberá disminuir, siempre y cuando T y n
se mantengan constantes.
Por esta razón, el conjunto de las variables d estado
constituyen una función de estado. La magnitud del
cambio de una función de estado depende únicamente
del estado inicial y final del sistema y no de cómo se
efectuó dicho cambio.
La variación de estado no depende del camino o
trayectoria. Solo interesa los valores i y f. Estos son
independientes del camino para llegar al estado final.
Veamos el siguiente ejemplo:
Se tiene una cubeta con 50 litros de agua a nivel del piso
( estado inicial) y se desea trasladar el agua hasta otra
cubeta vacía que está ubicada sobre una repisa a 150
cm de altura ( estado final). Es obvio que la energía
potencial del estado final es mayor que la del estado
inicial y esta diferencia será la misma ya sea que: hayas
levantado en tus brazos la cubeta y hayas vertido el
líquido de una sola vez; hayas trasladado el agua en
etapas con un recipiente de 5 litros o hayas levantado
la cubeta con un mecanismo de poleas para luego
trasvasijar el agua. Está claro que el gasto de energía en
cada una de estas acciones es bien diferente, pero
ahora no interesa la energía que tú gastas o malgastas,
solo importa la diferencia de energía que poseerá el
sistema al pasar del estado inicial al final.
TRABAJO, CALOR , ENERGÍA
TRABAJO: es la acción que modifica el sistema mismo o
sus alrededores.
Cuando se ejerce fuerza se realiza trabajo y este modifica
la energía de un objeto.
Se representa : W = f . d
W = trabajo
f = fuerza
d = desplazamiento
Cada vez que un sistema se
Expande, su trabajo es negativo. Por el contrario, si se
comprime el trabajo es positivo para el sistema.
“Se modifica el volumen al aplicar fuerza”
W = f . (h2 – h1)
 Expande
 Contrae
W = negativo (-)
W = positivo (+)
CALOR: energía que se transfiere de un sistema a otro como
consecuencia de una diferencia de temperatura. O sea,
transferencia de energía desde un objeto caliente a uno más
frío.
Calor absorbido = un cuerpo gana energía
Calor liberado = un cuerpo pierde energía
Ejemplo: 200 ml de agua a temperatura ambiente
¿Cómo puedo aumentar la temperatura?
 Calentándola (calor)
 Agitándola con una varilla ( trabajo)
Aumenta el movimiento de moléculas y aumenta la
energía.
El calor puede transmitirse por 3 vías: conducción,
convección y radiación.
1.- CONDUCCIÓN:
Calentar un clavo, el calor se propaga desde el extremo
expuesto al fuego hacia todo el, clavo. Los átomos
sometidos al calor aumentan su energía cinética
comunicándola a los átomos vecinos.
Ocurre en los sólidos
2.- CONVECCIÓN:
Al calentar agua, la parte del líquido sometido directamente
al calor se dilata más que el resto. Al dilatarse su volumen
aumenta y esa porción del líquido se hace menos densa y
asciende.
El espacio que deja es ocupado por otra poción del líquido
más frio y menos liviano produciéndose una circulación
permanente del agua.
Ocurre en líquidos y gases.
3.- RADIACIÓN:
Al quemar la leña podemos sentir el calor desprendido y
esta transmisión de energía ocurre por radiación.
Nuestro cuerpo permanentemente intercambia calor con
el ambiente mediante radiación a través del aire. El
calor del sol también se propaga por radiación.
Podemos “ asolearnos”
En el vació y en algunos gases el calor se transmite por
radiación.
TEMPERATURA: es una medida de la energía cinética de
las moléculas de un sistema
 Si el sistema recibe calor, aumenta la velocidad de las
moléculas
 A mayor energía cinética mayor será la temperatura y
viceversa
CALORIMETRÍA
Es la medición del flujo de calor, el instrumento que mide
este flujo es el calorímetro.
CALOR ESPECIFICO Y CAPACIDAD CALORÍFICA
Cuando dejas una taza de té caliente sobre una mesa ¿qué
esperas que suceda al cabo de unos minutos?
¿Y si dejas una bebida al sol?
¿ cuanta temperatura alcanzará la bebida al cabo de un
tiempo especifico?, es decir, ¿cuánta energía absorberá?
La cantidad de energía que absorbe un cuerpo, depende de su
capacidad calorífica ( C) definida como: cantidad de calor
necesaria para elevar su temperatura en 1 K o 1 ºC.
Normalmente, la capacidad calorífica se expresa por mol o
por gramo de sustancia. Cuando se expresa por gramo de
sustancia se le denomina calor específico (s) y si se
expresa por mol de sustancia, se denomina capacidad
calorífica molar (C )
ENERGÍA INTERNA
Imagina que calientas agua en tu casa, ¿es lo mismo calentar 1
o 4 litros? ¿por qué crees que si o no?
Cuando se calienta agua, el aumento de la temperatura hace
que las moléculas se trasladen de un punto a otro, roten y
vibren con mayor intensidad. Por otro lado, con el aumento
de la temperatura disminuyen las interacciones
moleculares y, mientras mayor sea la masa de lo que se está
calentando, se debe suministrar más energía, por lo tanto ¿
qué sucede con la energía del sistema?
La energía t0tal de un sistema es la suma de todas las energías
cinéticas (Ec) y energías potenciales (Ep) de sus partes
componentes y es conocida como energía interna del
sistema (U), que corresponde a una función de estado.
PRINCIPIOS DE LA TERMODINÁMICA
Cuando quemamos madera, carbón o gas para obtener calor,
este puede ser usado con diferentes fines. Por ejemplo,
podría mover una turbina, que a su vez mueve un
electroimán de un alternador, generándose así corriente
eléctrica. Vemos aquí que la energía almacenada en el
combustible se convierte en energía mecánica primero y
luego en energía eléctrica.
La termodinámica se basa en dos principios fundamentales :
1.- La energía del Universo es constante
2.- El desorden del universo aumenta constantemente.
PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA
“La energía total del universo es constante, no se crea ni se
destruye solo se transfiere entre un sistema cerrado y su
entorno”
Esto corresponde al principio de conservación de la energía.
Para aplicar esta ley se determina lo siguiente:
Un sistema puede intercambiar energía con el ambiente que
lo rodea, recibiendo o desprendiendo energía.
1.- Cuado un sistema absorbe o gana calor, el valor de éste es
positivo y aumenta su energía interna (q mayor 0)
2.- Cuando el sistema libera calor, el valor de éste es negativo,
disminuye su energía interna (q menor 0 )
Todo sistema termodinámico tiene energía interna y este
se puede modificar de varias maneras, ya sea
realizando un trabajo o transfiriendo energía en forma
de calor.
- Aplicar calor : al calentar agua
- Trabajo mecánico: agitar una cantidad de agua
- Trabajo eléctrico: calentar agua con un sistema
eléctrico ( encendedor del auto)
TERMOQUÍMICA
Corresponde a las variaciones de energía en las reacciones
químicas.
Generalmente en las reacciones químicas se produce
intercambio de energía en forma de calor que se mide a
través de la entalpía.
ENTALPÍA:
Se refiere al calor absorbido o liberado de un sistema.
Es un medida del contenido calórico de una reacción
La variación del entalpía corresponde a la entalpía final
menos la entalpía inicial.
H =Hf -Hi
DIAGRAMAS ENTÁLPICOS
Es la forma de representar los cambios de entalpía de una
reacción.
1.- Reacción endotérmica: son aquellas reacciones que
absorben energía, se expresan:
R  E + P Por lo tanto:
H mayor 0
El gráfico se representa:
2.- Reacción exotérmica:
Son aquellas reacciones en que se libera calor, por lo
tanto, la variación de la entalpía es menor que cero .
Se expresa R  P + E
H meno 0
El gráfico se representa de la siguiente forma:
LEY DE ADITIVIDAD DE HESS
La variación de H que tiene lugar cuando las reacciones
se transforman en productos es la misma, si loa
reacción transcurre en una sola etapa como si ocurriera
en varias etapas.
ESPONTANEIDAD QUIMICA
PROCESOS ESPONTANEOS:
La entalpía no es el único factor que gobierna el hecho de que se favorezca
más a los reactivos o los productos de una reacción.. El signo del cambio
de entalpía ( + o -) no basta para indicarnos si una reacción se llevará a
cabo. Además se debe considerar el cambio de aleatoriedad o desorden
que acompaña a una reacción química.
- El agua se coloca en un congelador se convierte en hielo
- Un clavo lustroso que se deja al aire libre termina por enmohecerse
- Al tocar un objeto caliente, se transmite calor al dedo
- En todos estos procesos se conserva la energía, (primera ley de la
termodinámica) sin embargo se llevan acabo sin intervención externa,
por lo que se dice que son espontáneos.
Un proceso espontáneo se lleva acabo en un sentido definido.Por ejemplo
si se deja caer una taza sobre una superficie dura, se romperá al caer.
El que una taza caiga y se rompa es algo espontáneo.
PROCESOS REVERSIBLES E IRREVERSIBLES
1.- PROCESO REVERSIBLE:
Ejemplo: interconversión del hielo y el agua ( agua líquida- hielo)
En un proceso reversible, el cambio que sufre el sistema se efectúa de tal
forma que se puede devolver el sistema a su estado original, invirtiendo el
cambio.
2.- PROCESO IRREVERSIBLE:
Ejemplo:
-la carne en el fuego se quema, el humo del cigarro se difunde por el aire, un
cadáver de cualquier animal se convierte en fósil.
El proceso irreversible es aquel que no se puede invertir simplemente para
devolver el sistema y su entorno a su estado originas. Cuando un sistema
cambia por un proceso irreversible, debe seguir un camino diferente para
regresar a su estado original.
1.- Siempre que un sistema químico está en equilibrio, los
reactivos y productos se interconvierten
reversiblemente.
2.- En todo proceso espontáneo, el camino que va de
reactivos a productos es irreversible.
ENTROPIA
El desorden se expresa mediante una magnitud termodinámica llamada
entropía, cuyo símbolo es S.
Cuanto más desordenado es un sistema, tanto más grande s su entropía. Al igual
que la energía interna y la entalpía, la entropía es ua función de estado.
El cambio de entropía de un sistema,
S = S final- S inicial, depende solo de
los estados inicial y final del sistema y no del camino específico por el que el
sistema cambia.
El valor positivo de S indica que el estado final es más desordenado que el
estado inicial.
El valor negativo de S indica que el estado final es más ordenado que el estado
inicial.
Cuando algo esta ordenado, cada cosa esta ubicada en el lugar que le corresponde.
Si entramos a una casa y vemos un vaso en el estante de la cocina decimos que
estas ordenado ( esta en el lugar que el corresponde), pero si lo encontramos en
el dormitorio la cosa cambia, más aún, no es lo mismo encontrarlo sobre el
escritorio, sobre la cama o encima de la silla, o verlo en el suelo. En estos casos
decimos que está desordenado ( no esta en el lugar que le corresponde).
SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA
El estado final de los procesos espontáneos que ocurren en el Universo
siempre tiene una mayor entropía, es decir, mayor número de estados
posibles que el estado inicial. Este principio se conoce como la
Segunda Ley de la Termodinámica: hay una tendencia en el
Universo a alcanzar un máximo de entropía (S), es decir, el máximo
de desorden.