Unidad 1: Termodinámica Energía, calor y trabajo. Parte 2 Química- 3° Año Medio Prof. María Alicia Bravo. Colegio Senda Nueva - http://www.colegiosendanueva.com Chile – ( 56-2 ) – 22 77 24 81 / 8- 493 97 47

Imagina que calientas agua en tu casa, ¿es lo mismo calentar 1 o 4 litros? Si pudieras mirar microscópicamente las moléculas de agua que estás sometiendo a calentamiento, ¿qué imaginas que observarías?, ¿qué sucederá con el sistema desde el punto de vista energético?, ¿podrías determinar cuánta energía afecta al sistema?

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 claro, mientras mayor sea la masa de lo que se está calentado, se debe suministrar más energía, por lo tanto, ¿qué sucede con la energía del sistema?

La energía total 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. Todo sistema, está formado por átomos, iones o moléculas y, por ende, por la suma de todas las energías cinéticas y potenciales individuales. Como comprenderás, dada la gran cantidad y variedad de tipos de movimientos e interacciones, no es posible determinar la energía exacta de ningún sistema de interés práctico. Lo que sí se puede hacer es medir los cambios de energía interna que acompañan a los procesos físicos y químicos. Así, se define el cambio de energía interna (∆U ) como la diferencia entre la energía interna del sistema al término de un proceso y la que tenía al principio:

Las unidades de ∆U, así como otras cantidades termodinámicas, están compuestas por tres partes: un número, una unidad que da la magnitud del cambio y un signo que da la dirección. Así, en el diagrama se observa que la energía que un sistema pierda deberá ser ganada por el entorno y viceversa.

En una reacción química, el estado inicial del sistema se refiere a los reactivos y el estado final, a los productos. Por ejemplo, cuando el hidrógeno (H2 ) y el oxígeno (O2) forman agua (H2O) , el sistema libera energía al entorno en forma de calor. La reacción que representa este proceso es:

Cuando el contenido de energía de los productos es menor que el de los reactivos, el ∆U para el proceso es negativo. Esto implica que la energía interna del hidrógeno y del oxígeno es mayor que la del agua, como muestra el siguiente diagrama de energía: Como te habrás dado cuenta, cualquier sistema puede intercambiar energía con su entorno, en dos formas generales, como calor y como trabajo.

La energía interna de un sistema cambia cuando se realiza transferencia térmica en forma de calor o trabajo. Así, la relación entre cambio de energía interna (∆U ) , calor ( q ) y trabajo ( w ) está dada por la siguiente expresión, que corresponde a la primera ley de la termodinámica: Se puede decir que: • Cuando se transfiere calor del entorno al sistema, q tiene un valor positivo. • Cuando se transfiere calor del sistema al entorno, q tiene un valor negativo. • Cuando el entorno efectúa trabajo sobre el sistema, w tiene un valor positivo • Cuando el sistema efectúa trabajo sobre el entorno, w tiene un valor negativo.

Los siguientes esquemas representan estas situaciones: Cuando el calor ( q ) absorbido por el sistema y el trabajo ( w ) efectuado sobre el sistema son cantidades positivas, contribuyen a aumentar el cambio de energía interna del sistema ∆U = q + w

Cuando un sistema absorbe energía, es decir, aumenta la energía interna, es sinónimo de que el entorno realiza trabajo sobre el sistema (+w) y se transfiere energía hacia el sistema en forma de calor (+q) , proceso conocido como endotérmico. Por otra parte, cuando el sistema ejerce trabajo sobre el entorno (−w) y entrega calor (−q) , el proceso habrá liberado energía al entorno, convirtiéndose en un proceso exotérmico, como muestra el siguiente esquema:

EJERCICIO RESUELTO “Cuando se encienden los gases hidrógeno y oxígeno en un cilindro cerrado, se produce una reacción química, producto de la cual el sistema libera 1150 J de calor al entorno. Además, la reacción hace que un pistón ubicado en la parte superior del sistema se eleve al expandirse los gases calientes. El gas en expansión efectúa 480 J de trabajo sobre el entorno al empujar el pistón contra la atmósfera. ¿Cuál es el cambio de energía interna del sistema?”

Paso 1. Para comprender el ejercicio propuesto, es necesario extraer los datos. Datos: Calor liberado ( q ) = 1 150 J Trabajo ( w ) = 480 J ¿Cuál es el cambio de energía interna del sistema? ( ∆U = incógnita ) En el ejemplo se indica que se transfiere calor del sistema al entorno y que el sistema efectúa trabajo sobre el entorno. Por las convenciones de signo, tanto q como w son negativos, como se observa en la figura mostrada anteriormente.

Paso 2. Seleccionar las fórmulas que relacionan los datos conocidos con la incógnita. En este caso: Paso 3. Remplazar los datos en la fórmula escogida.

Paso 4. Observa atentamente el valor obtenido Paso 4. Observa atentamente el valor obtenido. ¿Qué puedes interpretar de él? Piensa un momento .¿Cuál es la pregunta formulada en el problema? ¿Cuál es el valor obtenido y qué significa? ¿Qué significa que la variación de energía interna ( ∆U ) , tenga un valor negativo? 1. La variación o cambio de energía interna ( ∆U ) corresponde a la diferencia entre la energía interna del sistema al término de un proceso y la que tenía inicialmente. 2. Cuando la variación de energía interna es negativo, se entiende que ∆U final sea menor que ∆U inicial entonces el sistema libera energía a su entorno. Finalmente podemos concluir que el valor obtenido indica que: el sistema transfiere o libera 1630 J de energía al entorno.