Quimica

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BLOQUES IA - IB

FÍSICA

Termodinámica
La termodinámica clásica tiene por objeto aprovechar la energía calorífica para realizar trabajo mecánico. ¿Qué mecanismo permite transformar parte del calor transferido en trabajo mecánico? El mecanismo viene a ser el sistema mecánico: cilindro de capacidad calorífica despreciable, gas y pistón móvil. Por ejemplo, en el gráfico:

En el cilindro setiene un gas encerrado que destaca por tener un conjunto de moléculas con movimiento aleatorio; a la medida de dicho movimiento molecular y complejas interacciones se le denomina Energía interna (U). U = ∑ECI + ∑EPI + EqL ECI: Energía cinética intermolecular. EPI: Energía potencial intermolecular. EqL: Energía química de ligazón para la formación de moléculas. Si no hay disociación atómica en lasustancia al ser calentada, entonces, EqL=cte; esto generalmente sucede en los gases ideales. Para estos casos, durante el calentamiento: ∆EqL ≈ 0. Para un gas ideal, la variación de su energía interna (∆U) al ser calentado es:
0

∆U=∆ECI+∆EPI +∆EqL
no hay interacción molecular.

0

De esto se concluye que ∴ ∆U=∆ECI

“La variación de la energía interna no depende del proceso seguido por elgas”. además, para cualquier proceso se establece que ∆U=nCV∆T=mCV∆T En la fórmula: m : masa del agua. ∆T : variación de temperatura del gas. n : número de moles. CV : calor específico del gas a volumen constante.
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ACADEMIA ADUNI Se cumple que: • • 3 Si el gas es monoatómico: CV= R. 2 5 Si el gas es diatómico: CV= R. 2 R=0,287 kJ/kg .K: constante universal de los gases. Tenga presente que:R=CP – CV calor específico del gas a P=cte.

ANUAL SAN MARCOS

Examinemos lo que sucede con el gas encerrado al sacar los tornillos que fijan al pistón con el cilindro:

En el gráfico, nótese que el gas inicialmente tiene una energía interna (U0). Si consideramos Pgas > Patm, entonces, al retirar el tornillo las moléculas del gas golpean al pistón y lo desplazan, realizando así un trabajo.¿Con qué recurso hace trabajo el gas? Lo hace usando parte de su energía interna, la cual entrega al hacer trabajo sobre el pistón y, por eso, disminuye. Entonces, haciendo un balance energético:

W×hecho = ∆U = U F − U0 gas

¡Aquí se aprovecha la energía interna del gas para efectuar un trabajo, desplazando al pistón! (El gas hace trabajo sobre el pistón y el pistón, a su vez, vence a laPatm).

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BLOQUES IA - IB PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

FÍSICA

Es fundamentalmente establecer un balance energético en un sistema termodinámico (cilindro, gas ideal y pistón y el pistón, a su vez, vence a la Patm). I. Caso: Se entrega calor a V=cte.

Los tornillos fijan al pistón, por ello no se desliza y W gas=0. II. Caso: Se entrega calor y trabajo de agitación a V=cte.

Eltrabajo de rotación del motor (Wmotor) y el calor transferido al gas incrementan su actividad molecular, entonces, la energía interna del gas aumenta (∆U). III. Caso: Retiramos los tornillos y entregamos calor.

IV. Caso: Retiramos los tornillos y hacemos trabajo con un agente externo.

Al realizar W Fext el gas recibe energía, entonces, varía su energía interna y disipa calor. En todos los casosanteriores se establece una equivalencia entre ∆U, Q, W a partir de la observación del sistema. 175

ACADEMIA ADUNI ¿Qué procesos puede experimentar el gas ideal? Considerando los procesos estudiados anteriormente, planteamos: PROCESO Isobárico (P=cte) ECUACIÓN V0 T0 VF TF ∆U gas CV n∆T

ANUAL SAN MARCOS

W gas P∆V

=

Isotérmico (T=cte) Adiabático (Q=0) Isócoro (V=cte)

P0V0=PFVF
K KP0V0 =PFVF K=CP/CV>1

Cero

P0V0ln

VF V0

CV n∆T

nR∆T 1– K Cero “El gas no realiza trabajo”

P0 T0

=

PF TF

CV n∆T

Observación La cantidad de trabajo realizado por un gas también puede calcularse en forma gráfica conociendo el comportamiento de su presión respecto al volumen que ocupa. De la gráfica P(vs) V la cantidad de trabajo realizado por el gas se calculará así: W...
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