1 FISICOQUMICA I Diagramas y tablas Cambios de

1 FISICOQUÍMICA I Diagramas y tablas. Cambios de fase. Julie Gesselle Benavides Melo

ÁREAS TEMÁTICAS NÚCLEO PROBLÉMICO I: DEFINICIONES BÁSICAS, PROCESOS TERMODINÁMICOS Y TRABAJO MECÁNICO Y CALOR. Áreas temáticas: Dimensiones, unidades. Estado, propiedades termodinámicas, clasificación de las propiedades, fase, cambios de fase. Ley cero de la termodinámica. Estado de equilibrio termodinámico, definición de procesos, proceso de cuasiequilibrio, procesos isotérmicos, isobáricos, isométricos. Procesos de expansión y compresión, ciclos, representación de procesos en diagramas termodinámicos. Definición de trabajo en termodinámica, calor, convención de signos, unidades de trabajo, trabajo por unidad de masa, potencia, trabajo de frontera móvil, trabajo de compresión y expansión, proceso politrópico de los gases. Otras formas de trabajo. 2

ÁREAS TEMÁTICAS NÚCLEO PROBLÉMICO II: LA NATURALEZA DE LA FISICOQUÍMICA Y LA TEORÍA CINÉTICA DE LOS GASES. Preguntas orientadoras: ¿Desde la teoría cinética molecular de los gases que se infiere sobre el comportamiento ideal y real de los gases? ¿A que se denomina el factor de comprensibilidad en un gas y como incide en el comportamiento como ideal o real? Áreas temáticas: Postulado de estado, ecuaciones de estado, tablas termodinámicas, Gases ideales, ecuación de estado. Teoría cinético molecular de la materia. Conceptos de presión, Temperatura. Ley del gas ideal, Gases Reales, Ley Barométrica y Distribución de Maxwell. 3

ÁREAS TEMÁTICAS 4 NÚCLEO PROBLÉMICO III: LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA. Preguntas orientadoras: ¿Qué tipos de procesos termodinámicos caracterizan un sistema? ¿Qué cambios en las variables de estado determinan que un proceso termodinámico sea considerado reversible o irreversible? ¿Son lo mismo las funciones de trayectoria que las funciones de estado? Áreas temáticas: Primera ley de la termodinámica para ciclos, primera ley de la termodinámica para sistemas cerrados. Energía interna y entalpía, aplicación de la primera ley para procesos isobáricos, calor específico a volumen y a presión constante para sustancias puras. Energía interna, entalpía y calores específicos para gases ideales. Procesos reversibles e irreversibles. Termoquímica y Calorimetría. Diagramas T-v, P-T. Domos de saturación, línea de líquido comprimido y vapor sobrecalentado, isobaras, isotermas, punto crítico, isobara e isoterma crítica. Punto y línea triple. Zona de líquido comprimido, vapor sobrecalentado.

ÁREAS TEMÁTICAS 5 NÚCLEO PROBLÉMICO IV: LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA. Preguntas orientadoras: ¿Cuáles son las condiciones y variables que determinan el funcionamiento termodinámico de las máquinas? ¿De qué manera el empleo de temperaturas bajas ha contribuido al desarrollo en la ciencia y la tecnología? Áreas temáticas: Segunda ley de la termodinámica para ciclos, sistemas cerrados. Ciclo de Carnot, entropía y cambios. Máquina térmica, rendimiento térmico, refrigerador y bomba de calor. Enunciado de la segunda ley para ciclos, enunciados de Kelvin-Planck, Clausius, desigualdad de Clausius. Entropía, propiedad termodinámica, unidades de la entropía, entropía por unidad de masa. Cambio de entropía para procesos reversibles e irreversibles. Balance de entropía para sistemas cerrados. Procesos adiabáticos reversibles. Cambio de entropía para gases ideales, diagrama T-s, representación de procesos y ciclos en los diagramas T-s.

ÁREAS TEMÁTICAS NÚCLEO PROBLÉMICO IV: EQUILIBRIO QUÍMICO Preguntas orientadoras ¿Qué parámetros termodinámicos permiten predecir el sentido futuro de una reacción? ¿Cuál de estos parámetros es el más empleado y por qué? Áreas temáticas Condiciones Termodinámicas del Equilibrio. 6

7 Sistema Simple Temperatura Presión Macroscópico Propiedades Volumen Descripción más completa de un sistema y de su relación con el entorno. Equilibrio Sustancia pura: es aquella que es uniforme e invariable en su composición química. Una sustancia pura puede existir en más de una fase, pero su composición química debe ser la misma en cada fase. Fase: es toda cantidad homogénea y uniforme de materia, tanto en términos de su composición química como de su estructura física o estado de agregación, es decir, que la materia es toda sólida, o toda líquida o toda gaseosa. En un sistema puede existir más de una fase. Sistemas Simples Compresibles ü Sustancia pura ü Mezclas uniformes de gases no reactivos

Sustancia pura • Uniforme • Invariable en su composición química Fase 8 Cantidad homogénea y uniforme de materia, tanto en términos de su composición química como de su estructura física o estado de agregación. Cambio de fase se asocia a un cambio brusco de entalpía y densidad • Una o varias fases • Igual composición química 5 Conocidos Fluidos supercríticos, Superfluido, Supersólido, Materia degenerada, Neutronio, Materia fuertemente simétrica, Materia débilmente simétrica, Condensado fermiónico, Plasma quark-gluón, Materia extraña o materia de quarks, Fermionico.

Fluido supercrítico 9 Condiciones de presión y temperatura superiores a su punto crítico ü Cuasiestado ü Propiedades intermedias entre líquidos y gases Propiedades especiales ü No se produce licuefacción al presurizar . No se produce gasificación al calentar • Densidad más cercana a la de los líquidos que a la de los gases. • La densidad aumenta si lo hace la presión a temperatura constante y si disminuye la temperatura a presión constante. • La viscosidad es mucho más baja que la de los líquidos… propiedades hidrodinámicas • Tensión superficial … alta penetrabilidad a través de sólidos porosos. • Coeficientes de difusión … transferencia de materia es más favorable

Cambio de fase Evolución de materia - Estados de agregación composición Presión Temperatura 10

Cambio de fase Presión Temperatura 11 Evolución de materia - Estados de agregación composición

DIAGRAMAS TERMODINÁMICOS 12 Representación gráfica cuantitativa de propiedades termodinámicas de estado Interpretación en términos cualitativos ü Síntesis de datos ü Organización tabla. ü Imagen mental mucho mas completa que con una tabla o con una descripción puramente verbal. ü Capacidad de recepción y recordación.

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Dependencia entre T y P 14 Para una sustancia pura solo existe una temperatura para la cual dicha sustancia cambiará de fase a una presión dada. Saturación T y P no bastan para determinar el estado termodinámico de una sustancia durante un cambio de fase o en mezcla de fase Propiedad auxiliar Calidad: es una medida de la relación entre la masa de ambas fases, y se define como la relación entre la masa de vapor y la masa total de la mezcla. Coexistencia de fases

Postulado de estado “Para cualquier sustancia pura basta con medir dos variables 15 intensivas (T, P, v, ρ, etc. ) independientes, para definir completamente el estado termodinámico de la sustancia” DIAGRAMAS TERMODINÁMICOS CONCEPTUALMENTE GRÁFICAMENTE Los más comunes se basan en propiedades de estado (P-V-T). Mezclas de propiedades de estado y otras propiedades como la entalpía, la energía interna o la entropía. El Diagrama de Tres Ejes También conocido como diagrama tridimensional. Define el estado de un sistema fijando valores de los tres parámetros de estado. Los Diagramas Planos Se obtienen tomando planos paralelos a uno de los planos diedros, y trazando curvas paramétricas para valores definidos del tercer eje.

DIAGRAMAS TERMODINÁMICOS DE DOS EJES Diagrama presión-temperatura Resume las propiedades P - T de una sustancia pura ü Son proyecciones de la superficie tridimensional sobre uno de los planos. ü Curvas ü Puntos 16

DIAGRAMAS TERMODINÁMICOS DE DOS EJES Diagrama presión-volumen La curva de saturación del líquido (también llamada curva de puntos de burbuja) separa la fase líquida de la zona de coexistencia de fase líquida y vapor. 17

DIAGRAMAS TERMODINÁMICOS DE DOS EJES Diagrama presión-volumen La curva de saturación del vapor (también llamada curva de puntos de rocío) separa la zona de coexistencia de fase líquida y vapor de la fase vapor. 18

DIAGRAMAS TERMODINÁMICO S DE DOS EJES Diagrama presión-volumen Saturación = Cambio de fase 19

DIAGRAMAS TERMODINÁMICOS DE DOS EJES Diagrama presión-volumen El vapor que se encuentra en equilibrio con su líquido suele llamarse vapor húmedo 20

DIAGRAMAS TERMODINÁMICOS DE DOS EJES Diagrama presión-volumen El vapor que está sobre la curva de puntos de rocío se suele llamar vapor saturado seco. 21

DIAGRAMAS TERMODINÁMICOS DE DOS EJES Diagrama presión-volumen La curva que forma el conjunto de los puntos de burbuja y los puntos de rocío es llamada curva de Andrews (curva envolvente de fases). 22

OTROS DIAGRAMAS TERMODINÁMICOS Diagrama densidad-temperatura Diagrama temperatura-volumen

OTROS DIAGRAMAS TERMODINÁMICOS Diagrama U-P-T Diagrama temperaturaentropía Diagrama entalpía-entropía o de Mollier

DIAGRAMAS TERMODINÁMICOS DE TRES EJES Resume las propiedades P-V-T de una sustancia pura ü Define una superficie en un sistema de ejes coordenados presión-volumen - temperatura. ü La superficie tiene zonas en las que solo existe una fase, y zonas de coexistencia de dos fases. ü La única condición en la que coexisten tres fases no es una zona, sino una delgada línea que delimita dos zonas en las que coexisten dos fases. 25

DIAGRAMAS TERMODINÁMICOS DE TRES EJES 26 Resume las propiedades P-V-T de una sustancia pura ü Define una superficie en un sistema de ejes coordenados presión-volumen - temperatura. ü La superficie tiene zonas en las que solo existe una fase, y zonas de coexistencia de dos fases. ü La única condición en la que coexisten tres fases no es una zona, sino una delgada línea que delimita dos zonas en las que coexisten dos fases.

OTROS DIAGRAMAS TERMODINÁMICOS Diagrama logaritmo de la presión-entalpía Diagramas de composición variable

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30 Tomado de Rafael Gamero

31 Tomado de Rafael Gamero

32 Tomado de Rafael Gamero

TABLAS TERMODINÁMICAS 33 Los diagramas de propiedades termodinámicas se basan en tablas de valores que se usan para construir gráficas bi y tridimensionales. En la actualidad se cuenta con datos generalmente considerados como fidedignos de una cantidad considerable de sustancias. Al menos podemos encontrar tablas de propiedades de las sustancias mas comunes Exactitud mayor • • http: //goo. gl/75 Py 2 U http: //goo. gl/px. Mihj http: //goo. gl/b. Mw. RB 0 http: //goo. gl/o. UZt 53

TABLAS TERMODINÁMICAS • • • Información proveniente de experimentación Propiedades de sustancia puras Datos tabulados • • Combinación de modelos termodinámicos Descripción de cada fase Precisión Fácil uso División por zonas, de acuerdo a la fase o región de saturación de relevancia para el sistema. 34

TABLAS TERMODINÁMICAS T y P

TABLAS TERMODINÁMICAS

Cam bio d e fa 37 se

TABLAS TERMODINÁMICAS

TABLAS TERMODINÁMICAS Tomado de Rafael Gamero

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Cuando un sistema pasa del estado a al b a lo largo de la transformación acb recibe una cantidad de calor de 20000 cal y realiza 7. 500 cal de trabajo 45 • ¿Cuánto calor recibe el sistema a lo largo de la transformación adb, si el trabajo es de 2500 cal? • Cuando el sistema vuelve de b hacia a, a lo largo de la transformación en forma de curva, el trabajo es de 5000 cal. ¿Cuánto calor absorbe o libera el sistema? • Si Ua=0 y Ud=10000 cal hállese el calor absorbido en los procesos ad y db. Nota: no hace falta ningún dato de p y V para resolver el problema

Consideremos helio (gas perfecto monoatómico cv=3 R/2) en el estado 46 inicial A: PA=105 Pa, VA=10 -2 m 3 y TA=300 K. Se llevan a cabo las siguientes transformaciones: • A B: Transformación isoterma reversible siendo VB=2 10 -2 m 3 • B C: Transformación isócora (V=cte) reversible siendo TC=189 K • C A: Transformación adiabática reversible, que devuelve al gas a sus condiciones iniciales. a) Determinar el número de moles de helio, confeccionar una tabla en la que aparezcan los valores P, V y T en los tres estados A, B y C, y dibujar el ciclo en el diagrama P-V. b) Calcular, en unidades del sistema internacional, de forma directa (siempre que sea posible) el trabajo W, el calor Q, y la variación de energía interna U, del gas para cada uno de los procesos.

10 moles de un gas diatómico (Cv=5 R/2) se encuentran inicialmente a una 47 presión de PA = 5 105 Pa y ocupando un volumen de VA = 249 10 -3 m 3. Se expande adiabáticamente (proceso AB) hasta ocupar un volumen VB = 479 10 -3 m 3. A continuación el gas experimenta una transformación isoterma (proceso BC) hasta una presión PC = 1 105 Pa. Posteriormente se comprime isobáricamente (proceso CD) hasta un volumen VD = VA = 249 10 -3 m 3. Por último, experimenta una transformación a volumen constante (proceso DA) que le devuelve al estado inicial. a. Representar gráficamente este ciclo en un diagrama P-V. b. Calcular el valor de las variables termodinámicas desconocidas en los vértices A, B, C y D. c. Hallar el calor, el trabajo, la variación de energía interna, en Joules, de forma directa y/o empleando el Primer Principio, en cada etapa del ciclo. R= 0. 082 atm l/(mol K) = 8. 314 J/(mol K) ; 1 cal = 4. 186 J; 1 atm = 1. 013 105 Pa

• En el ciclo de la figura que describe un gas ideal monoatómico. • Calcular el valor de las variables termodinámicas desconocidas en los vértices A, B y C. • Hallar de forma directa el trabajo en cada etapa. • El calor yla variación de energía interna cada etapa del ciclo. (Expresar los resultados en Joules). R=0. 082 atm l/(ºK mol) 1 cal= 4. 186 J. 1 atm = 1. 013 105 Pa 48

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