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La primera ley de la termodinamica entalpia y calores de formacion ley de hess espontaneidadreversividad y desorden

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by

German Arroyo

on 17 March 2017

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Unidad II
Leyes Termodinámicas

Ing. José Germán Arroyo Martínez
La primera Ley de la Termodinámica
Conocida también como el principio de conservación de la energía:

"La energía no se puede crear ni destruir durante un proceso; sólo puede cambiar de forma"
Aunque la esencia de la primera ley es la existencia de la propiedad energía total, con frecuencia se considera a la primera ley como un enunciado del principio de la conservación de la energía.
Incremento de la energía de un sistema
Es posible que exista energía en numerosas formas: interna, cinética, potencial, eléctrica y magnética, por lo que la suma de ellas constituye la energía total E. En ausencia de efectos eléctricos, magnéticos y de tensión superficial
La mayor parte de los sistemas encontrados en la práctica son estacionarios, es decir, no tienen que ver con cambios en su velocidad o elevación durante un proceso, por lo tanto:
Mecanismos de transferencia de energía
Transferencia de calor, hacia un sistema (ganancia de calor) incrementa la energía de las moléculas y por lo tanto la del sistema; asimismo, desde un sistema (pérdida de calor) la disminuye, ya que la energía transferida como calor viene de la energía de las moléculas del sistema.

Transferencia de trabajo, a un sistema, incrementa la energía de éste, mientras que la transferencia de trabajo desde un sistema, la disminuye, puesto que la energía transferida como trabajo viene de la energía contenida en el sistema. Los motores de automóviles y las turbinas hidráulicas, de vapor o de gas, producen trabajo mientras que los compresores, las bombas y los mezcladores consumen trabajo.

Flujo másico, cuando entra masa a un sistema, la energía de éste aumenta debido a que la masa lleva consigo energía (de hecho, la masa es energía). De igual modo, cuando una cantidad de masa sale del sistema, la energía de éste disminuye porque la masa que sale saca algo de energía consigo. Por ejemplo, cuando cierta cantidad de agua caliente sale de un calentador y es reemplazada por agua fría en la misma cantidad, el contenido de energía del tanque de agua caliente (el volumen de control) disminuye como resultado de esta interacción de masa.
El balance de energía se expresa de modo explícito y compacto
forma de tasa
Enfriamiento de u
n fluido caliente en un recipiente
Un recipiente rígido contiene un fluido caliente que se enfría mientras es agitado por un ventilador. Al inicio, la energía interna del fluido es de 800 kJ, pero durante el proceso de enfriamiento pierde 500 kJ de calor. Por su parte, la rueda realiza 100 kJ de trabajo sobre el fluido. Determine la energía interna final del fluido e ignore la energía almacenada en el ventilador.
Solución Un fluido en un recipiente rígido pierde calor mientras se agita. Se determinará la energía interna final del fluido.

Suposiciones 1 El recipiente es estacionario, de modo que los cambios de energía cinética y potencial son cero . Por consiguiente, y la energía interna es la única forma de energía del sistema que puede cambiar durante este proceso. 2 La energía almacenada en el ventilador es insignificante.

Análisis Considere el contenido del recipiente como el sistema, el cual es cerrado puesto que ninguna masa cruza sus fronteras durante el proceso. Se observa que el volumen de un recipiente rígido es constante y por lo tanto no hay trabajo a través de la frontera móvil. Asimismo, se pierde calor del sistema y se realiza trabajo de flecha sobre el sistema. Al aplicar el balance de energía sobre el sistema, se obtiene
Entalpía de formación
las moléculas de un sistema poseen energía en diversas formas, como la energía sensible, la latente, la energía química y la energía nuclear
Durante una reacción química se rompen algunos de los enlaces químicos que unen a los átomos en las moléculas y se forman otros nuevos.
Cuando los procesos implican reacciones químicas (la composición del sistema al final de un proceso ya no es la misma que al inicio del mismo) es necesario considerar un estado estándar el cual es 25 °C y 1 atm (estado de referencia estándar)
Este cambio de entalpía será distinto para diferentes reacciones, y sería deseable tener una propiedad que representara los cambios en la energía química durante una reacción. Esta propiedad es la entalpía de formación
Se asigna a la entalpía de formación de todos los elementos estables (como O2, N2, H2 y C) un valor cero en el estado de referencia estándar de 25 °C y 1 atm.
Ejercicios, partir de lo anterior calcular el cambio de la entalpía de formación.
REACCIONES ENDOTERMICAS
REACCIONES EXOTERMICAS
Segunda Ley de la Termodinámica
Sabemos que la primera ley de la termodinámica, se aplica a procesos relacionados con sistemas cerrados y abiertos, su energía es conservada y ninguno viola la primera ley.

Pero satisfacerla no asegura que en realidad el proceso tenga lugar.
Que los procesos van en cierta dirección y no en la dirección contraria
Un proceso no puede ocurrir a menos que satisfaga tanto la primera ley de la termodinámica como la segunda
Sin embargo, el uso de la segunda ley de la termodinámica no se limita a identificar la dirección de los procesos, también afirma que la energía tiene calidad así como cantidad.

Mayor cantidad de energía a alta temperatura se puede convertir en trabajo, por lo tanto tiene una calidad mayor que esa misma cantidad de energía a una temperatura menor.
Aun así estos procesos reversibles son de interés porque los dispositivos que producen trabajo, como motores de automóviles y turbinas de gas o vapor, entregan el máximo de trabajo, y los dispositivos que consumen trabajo, como compresores, ventiladores y bombas, consumen el mínimo de trabajo cuando se usan procesos reversibles en lugar de irreversibles.
Pro
ceso
s Reversibles e Irreversibles
Un proceso reversible se define como un proceso que se puede invertir sin dejar ningún rastro en los alrededores, esta posibilidad viene dada si el intercambio de calor y trabajo netos entre el sistema y los alrededores es cero para el proceso combinado (original e inverso)

Se debe señalar que es posible volver un sistema a su estado original siguiendo un proceso, sin importar si éste es reversible o irreversible.
Entonces, los procesos reversibles en realidad no ocurren en la naturaleza, sólo son idealizaciones de procesos reales. Los reversibles se pueden aproximar mediante dispositivos reales, pero nunca se pueden lograr; es decir, todos los procesos que ocurren en la naturaleza son irreversibles.
Entropía
La segunda ley de la termodinámica conduce frecuentemente a expresiones que involucran desigualdades.

Una máquina térmica irreversible (es decir, real) es menos eficaz que otra reversible que opera entre los mismos dos depósitos de energía térmica.
Otra desigualdad importante que tiene mayores consecuencias en la termodinámica es la desigualdad de Clausius.
Clausius comprendió en 1865 que él había descubierto una nueva propiedad termodinámica y decidió nombrarla entropía, la cual está designada por S y definida como




La entropía es una propiedad extensiva de un sistema y a veces es llamada entropía total
El cambio de entropía de un sistema durante un proceso puede determinarse integrando entre los estados inicial y final:
Donde
es la temperatura constante del sistema y
es la transferencia de calor para el proceso internamente reversible
Cambio de entropía durante un proceso isotérmico

Un dispositivo compuesto por cilindro-émbolo contiene una mezcla de líquido y vapor de agua a 300 K. Durante un proceso a presión constante se transfieren al agua 750 kJ de calor. Como resultado, la parte líquida en el cilindro se vaporiza. Determine el cambio de entropía del agua durante este proceso.
¿Que es la Entropía?
No es posible definir energía, pero esto no interfiere con nuestra comprensión de las transformaciones de energía y su principio de conservación.
La entropía puede verse como una medida de desorden molecular, o aleatoriedad molecular.
En la sólida, las moléculas de una sustancia oscilan continuamente en sus posiciones de equilibrio, pero les es imposible moverse unas respecto de las otras, por lo que su posición puede predecirse en cualquier momento con certeza. Sin embargo, en la gaseosa, las moléculas se mueven al azar, chocan entre sí y cambian de dirección, lo cual hace sumamente difícil predecir con precisión el estado microscópico de un sistema en cualquier instante. Asociado a este caos molecular se encuentra un valor alto de entropía.
Una fuente de calor a 800 K pierde 2 000 kJ de calor hacia un sumidero a a) 500 K y b) 750 K. Determine qué proceso de transferencia de calor es más irreversible.
Durante el proceso isotérmico de rechazo de calor en un ciclo Carnot, el fluido de trabajo experimenta un cambio de entropía de -0.7 Btu/R. Si la temperatura del sumidero térmico es de 95 °F, determine a) la cantidad de transferencia de calor, b) cambio de entropía del sumidero y c) el cambio total de entropía para este proceso.
Una máquina térmica completamente reversible opera con una fuente a 1500 R y un sumidero térmico a 500 R. Si la entropía del sumidero aumenta en 10 Btu/R, ¿cuánto disminuirá la entropía de la fuente? ¿Cuánto calor, en Btu, se transfiere de esta fuente?

Una máquina térmica acepta 200 000 Btu de calor de una fuente a 1 500 R, y rechaza 100 000 Btu de calor a un sumidero térmico a 600 R. Calcule el cambio de entropía de todos los componentes de esta máquina y determine si es completamente reversible. ¿Cuánto trabajo total produce?

Se transfiere calor, en la cantidad de 100 kJ, directamente de un depósito caliente a 1 200 K a un depósito frío a 600 K. Calcule el cambio de entropía de los dos depósitos y determine si se satisface el principio de incremento de entropía.
Entropía de reacción
Si el cambio de entropía aumenta eso indica que el desorden también lo hará, al igual que si disminuye
La entropía solo se encontrará en cero si la temperatura de la molécula, compuesto o átomo se encuentra a 0 K absoluto (Tercera ley)

Solo hay que recordar que la entropía aumentara conforme la temperatura lo haga, por ejemplo la entropía del agua sera menor que la del vapor de agua. Debido al desorden de las moléculas.
Calcular la energía libre de Gibbs, de las mismas reacciones, para determinar si la reacción es espontánea o no espontánea
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