1.1.1 Sistemas, estados y funciones de estados

Cuando estudiamos el intercambio de energía en los procesos que ocurren en la naturaleza, necesitamos definir conceptos como el de sistema. En las reacciones químicas, el sistema se encuentra formado por las sustancias químicas que intervienen en ellas y el entorno sería todo lo demás.

Definición de función de estado.


Se debe saber que algunas variables termodinámicas son, además, lo que se conoce como funciones de estado. ¿Qué significa esto? Significa que si el sistema sufre una modificación y pasa de un estado A a un estado B, el valor de estas variables termodinámicas que son funciones de estado no depende de cómo se ha efectuado la transformación, sólo del estado del sistema.
Veremos esto con un ejemplo concreto para que sea más sencillo, tomando como variable la temperatura. Consideremos un sistema que está en un estado A en el cual la temperatura es de 20ºC. Este sistema sufre una transformación y pasa a estar en un estado B en el cual la temperatura es de 60ºC. El sistema en le estado B seguirá estando a 60ºC independientemente del camino que haya seguido la transformación. No depende del camino que ha seguido dicha transformación, no importa si se ha calentado y luego enfriado, o si se ha calentado progresivamente… La temperatura en el estado B seguirá siendo de 60ºC, sin importar cómo se ha llegado a ello. Por esto, la temperatura es una función de estado, sólo depende del estado del sistema en el momento en que lo consideremos.
Transformación de temperatura: ejemplo de función de estado




TIPOS DE SISTEMAS.


Existen diferentes tipos de sistemas: abiertos, cerrados y aislados.

Por un lado tenemos los sistemas abiertos, los cuales intercambian materia y energía con el entorno.
Ejemplo: en el caso de una masa de sodio que reacciona con el agua que contiene un determinado recipiente, proceso en el que se realiza un intercambio de energía, produciéndose gas hidrógeno, el cual se difunde en el entorno.

El estudio de los sistemas cerrados, resulta quizás algo más sencillo, ya que estos tipos de sistemas intercambian energía con su entorno, pero no existe un intercambio de materia.
Ejemplo: en reacciones químicas que se realizan en recipientes cerrados con un volumen constante, o a una presión constante, se dice que en dichos sistemas se impide el intercambio de materia con el entorno.
En último lugar tenemos los sistemas que no pueden ni intercambiar materia ni energía con el entorno. A estos sistemas se los conoce con el nombre de sistemas aislados.

Para saber el sistema de estado se tiene que determinar lo que se va a estudiar, para esto es necesario conocer una serie de propiedades del mismo, como pueden ser la presión, la temperatura, el volumen, su composición, etc.
Este tipo de magnitudes pueden verse alteradas, y variar a lo largo del proceso en el que el sistema pasa desde un estado inicial a un estado final. A estas magnitudes de las conoce como variables de estado, precisamente porque dichas magnitudes pueden cambiar en el transcurso de la reacción.
Todas las variables de estado no son independientes unas de otras, sino que con frecuencia se encuentran relacionadas entre sí a través de lo que se conoce como ecuaciones de estado. Por ejemplo, en el caso de un gas ideal del cual conocemos su número de moles, la presión y la temperatura, el volumen que ocupa dicho gas podremos determinarlo a través de la ecuación de estado de los gases ideales ( PV= nRT).

*P·V = n·R·T
Donde:
P = presión (atm o pascales, Pa)
V = volumen (litros o m3)
n = número de moles
R = constante de los gases ideales, 0,082 atm·l/K·mol o 8,31 J/K·mol
T = temperatura en grados kelvin (K)
Dada esta ecuación para los gases ideales, bastará conocer la presión, el volumen y la temperatura para definir el estado del sistema, y el número de moles, o la densidad, o la masa, se podrían calcular conociendo dichos valores de P, V y T. Por tanto, con estas variables el sistema quedaría totalmente descrito.
Algunas de las propiedades o de las variables que nos determinan el estado de un sistema concreto tienen un valor definido y único para cada estado del sistema. Dichas propiedades se llaman funciones de estado, y la variación de ellas sólo depende del estado inicial y final del sistema.
En los sistemas químicos (reacciones químicas), se les conoce como funciones de estado, entre otras, la presión, el volumen, la temperatura, la energía interna y la entalpía. Por el contrario, el calor y el trabajo no son funciones de estado, pues cuando un sistema sufre un proceso cíclico, se intercambia calor, y por lo tanto se desarrolla un trabajo.


Tipos de Variables termodinámicas: extensivas e intensivas


Las variables termodinámicas se clasifican en dos tipos, atendiendo a su dependencia o independencia con la cantidad total de materia presente en el sistema. Así, tenemos:
  • Variables extensivas: si su valor depende de la cantidad o porción de sistema que se considera, por ejemplo: masa, volumen, número de moles…
  • Variables intensivas: si su valor no depende de la cantidad de sistema considerado, por ejemplo: temperatura, densidad, presión, concentración…
En la tabla siguiente se muestran algunas variables extensivas e intensivas:

Tabla de variables termodinámicas extensivas e intensivas











Por:
Solano García Andrea Guadalupe y
Fortunatt Martínez Kevin Alexis


Comentarios

Publicar un comentario

Entradas más populares de este blog

1.1.9. Reacciones exergónicas y endergónicas.

Imagen
Para determinar si una reacción es exergonica o endergonica se necesita saber la diferencia de energía libre  D G.  Cuando la  D G es negativo se dice que dichas reacciones son reacciones exergonicas  porque las moléculas de los reactivos tienen mayor energía que las moléculas de los productos, por lo cual la variación de energía es menor que cero. REACTANTES    →     PRODUCTOS   +   ENERGÍA Cuando su D G es positivo no puede transcurrir espontáneamente porque requiere de un aporte de energía libre y a estas se llaman reacciones endergonicas  porque las moléculas de los reactivos tienen menos energía que las moléculas de los productos, por lo cual la variación de energía es mayor que cero. REACTANTES + CALOR →  PRODUCTOS Ejemplos de reacciones exergonicas: H 2(g)    +  Cl 2(g)   →    2HCl (g...
Leer más

1.2.2 Celdas electroquimicas

Imagen
“Celdas Electroquímicas” ¿Qué son las celdas electroquímicas? Una celda electroquímica es un dispositivo experimental por el cual se puede generar electricidad mediante una reacción química (celda Galvánica). O, por el contrario, se produce una reacción química al suministrar una energía eléctrica al sistema (celda Electrolítica). Estos procesos electroquímicos son conocidos como “reacciones electroquímicas” o “reacción redox” donde se produce una transferencia de electrones de una sustancia a otra, son reacciones de oxidación-reducción. ¿Quiénes las crearon? Las celdas electroquímicas fueron desarrolladas a finales del siglo XVIII por los científicos Luigi Galvani y Allesandro Volta por lo que también se las denomina celda galvánica o voltaica en su honor. ¿Quién es Luigi Galvani? Luigi Galvani (Bolonia, Italia, 9 de septiembre de 1737-ibídem, 4 de diciembre de 1798) fue un médico, fisiólogo y físico italiano, sus estudios le permitieron descifrar la naturaleza eléct...
Leer más

1.1.3 Energía Interna y Entalpía

Imagen
Energía Interna La magnitud que designa la  energía almacenada  por un sistema de partículas se denomina energía interna (U). La energía interna es el resultado de la contribución de la energía cinética de las moléculas o átomos que lo constituyen, de sus energías de rotación, traslación y vibración, además de la energía potencial intermolecular debida a las fuerzas de tipo gravitatorio, electromagnético y nuclear. La energía interna es una  función de estado , es decir, sólo depende del estado inicial y del estado final. Como consecuencia de ello, la variación de energía interna en un ciclo es siempre nula, ya que el estado inicial y el final coinciden:   El  calor  intercambiado en un proceso viene dado por: Siendo  C  la capacidad calorífica. En este proceso, por realizarse a volumen constante, se usará el valor  C v  (capacidad calorífica a volumen constante). Entonces, se obtiene finalmente: ...
Leer más

1.2 Procesos Electroquímicos

Imagen
Electroquímica :   Es una rama de la química que estudia la transformación entre la energía eléctrica y la energía química. En otras palabras, las reacciones químicas que se dan entre un conductor eléctrico (llamado electrodo) y un conductor iónico (electrolito). En un sentido más amplio, la electroquímica es el estudio de las reacciones químicas que producen efectos eléctricos y de los fenómenos químicos causados por la acción de las corrientes o voltajes. Entonces los procesos electroquímicos son aquellos en donde se produce la transformación entre la energía eléctrica y la energía química. El campo de la electroquímica ha sido dividido en dos grandes secciones. La primera de ellas es la Electrólisis, la cual se refiere a las reacciones químicas que se producen por acción de una corriente eléctrica. La otra sección se refiere a aquellas reacciones químicas que generan una corriente eléctrica, éste proceso se lleva a cabo en una celda o pila galvánica. ...
Leer más

1.2.1 Reacciones de Oxidación y Reducción.

Imagen
Reacciones de oxidación y reducción.  Se considera como reacción de transferencia de electrones La oxidación y reducción, también conocida como redox , es un proceso químico en el cual cambia en número de oxidación de un elemento. El proceso puede incluir la transferencia completa de electrones para formar uniones iónicas o sólo una transferencia parcial o desplazamiento de electrones para formar uniones covalentes.  Se efectúa una oxidación cuando aumenta el número de oxidación como resultado de la pérdida de electrones. Y una reducción siempre que el número de oxidación disminuya como resultado    de una ganancia de electrones. La oxidación y la reducción se efectúan simultáneamente en una reacción química; una no puede sucede sin la otra. Oxidación: Incremento del número de oxidación                    Perdida de electrones. Reducción:...
Leer más

1.1.7 Entropía

Imagen
1.1.7 ENTROPÍA   El término entropía se puede utilizar en Física, Química, Psicología, de forma filosófica, en las Empresas, etc. Lógicamente la entropía que nosotros estudiaremos es aquella relacionada con la física y la química. ¿Qué es la Entropía? La entropía es una propiedad de estado en la que importa solamente el estado inicial y final, independientemente de camino recorrido para pasar de uno a otro. La entropía no se define en valores absolutos, se miden cambios (incrementos= Δ) entre uno y otro estado entrópico. Pongamos algún ejemplo para que te queda mucho más claro. Primero un sistema reversible y luego un sistema irreversible (no puede volver al estadoinicial). Ejemplos de Entropía Tenemos una habitación ordenada = Sistema Inicial. Ahora la desordenamos, tiramos la ropa, muebles, etc. Hemos cambiado el sistema inicial y ahora tengo un sistema final = habitación desordenada. Si quieres colocar las cosas para que esté la habitación ...
Leer más

1.1.4 Reacciones exotérmicas y endotérmicas

Imagen
Reacciones  Exotermicas El prefijo  exo  significa “hacia fuera”. Por lo tanto entendemos que las  reacciones exotérmicas  son aquellas que liberan energía en forma de calor. El esquema general de una reacción exotérmica puede ser escrito de la manera siguiente, donde A, B, C y D representan sustancias genéricas. En otras palabras, toda la energía que entró en el primer miembro de la ecuación química, debe salir íntegramente en el segundo miembro de la ecuación. De donde obtenemos la siguiente conclusión:  si una reacción es exotérmica, entonces la entalpía de los reactivos  ( Hr  )  es mayor que la entalpía de los productos ( Hp  ) , pues una parte de la energía que estaba contenida en los reactivos fue liberada para el medio ambiente en forma de calor y apenas otra parte de esa energía quedó contenida en los productos.  Entonces en una reacción exotérmica:  Hr > Hp No es posible determinar directamente la en...
Leer más

1.1.5 Entalpías de enlace.

Imagen
Entalpías de enlace.  También conocida como entalpía de disociación de enlace, energía de enlace promedio o fuerza de enlace. Es la energía almacenada en un enlace entre átomos de una molécula. Específicamente, es la energía que debe agregarse para conseguir la escisión del enlace homolítica o simétrica en fase gaseosa. Un evento homolítico o evento de ruptura de enlace simétrica significa que cuando el enlace se ha roto, cada uno de los átomos que eran parte el enlace original recibe un electrón, convirtiéndose en un radical, en vez de que se forme un ion. La energía de enlace  Es la energía necesaria para romper un mol de enlaces en estado gaseoso. La energía del enlace H-H es mayor que la del enlace Cl-Cl. Esto quiere decir que el enlace en la molécula H 2 , es más fuerte que en la de Cl 2. Las energías de enlace           son siempre positivas, ya que para romper un enlace se requiere energía. El concepto de...
Leer más

1.1.6 Termoquímica. Ley de Hess.

 Termoquímica. Ley de Hess. La   Termoquímica  estudia los cambios energéticos ocurridos durante las reacciones químicas. El calor que se transfiere durante una reacción química depende de la trayectoria seguida puesto que el calor no es una función de estado. Sin embargo, generalmente las reacciones químicas se realizan a P=cte o a V=cte, lo que simplifica su estudio. La situación más frecuente es la de las reacciones químicas realizadas a P=cte, y en ellas el calor transferido es el cambio de entalpía que acompaña a la reacción y se denomina "entalpía de reacción". La entalpía es una función de estado, luego su variación no depende de la trayectoria. La combustión (ver figuras 8.23 y 8.24) es un ejemplo de reacciones químicas donde se liberan grandes cantidades de energía. Por ejemplo, la combustión del hidrógeno que se indica a continuación:    En este caso, el sistema es el hidrógeno, el oxígeno y e...
Leer más