Termodinámica

Vista previa del material en texto

Termodinámica 
Estudia los niveles de energía y la transferencia de energía entre sistemas y entre 
diferentes estados de la materia. Se aplica al estudio de reacciones químicas y cambios de 
estado de la materia que inevitablemente involucran cambios de energía. 
Sirve para: Predecir la manera en que los sistemas de formación de rocas responden a 
cambios en presión, temperatura y composición química. 
Interpretar la presión, temperatura y composición química de formación de sistemas 
antiguos a partir de la composición química de rocas, minerales, vidrio. 
La termodinámica es útil cuando se aplica a sistemas en equilibrio. 
SISTEMA 
Cualquier parte del universo que se desea estudiar. Los cambios que ocurren en el sistema pueden 
o no involucrar interacción con el entorno. 
Sistema aislado: Tienen energía y masa constante debido a que sus fronteras son: 
Rígidas, por lo que no permiten el intercambio de energía mecánica. 
Perfectamente aisladas, impidiendo el flujo de calor. 
Impermeables al intercambio de materia. 
Estos sistemas no ocurren en la naturaleza, sin embargo son importantes porque las reacciones 
que ocurren en sistemas aislados son aquellas que no pueden liberar o absorber calor o cualquier 
otra forma de energía. 
Sistema cerrado: Transferencia de energía hacia dentro o hacia afuera del sistema; no hay 
intercambio de materia. Tienen masa y composición constante, pero niveles de energía variables. 
Sistema abierto: Transferencia tanto de energía como de materia hacia dentro o hacia afuera del 
sistema. 
El sistema puede estar abierto a una especie o varias especies químicas. La mayoría de los 
sistemas geológicos son abiertos, al menos en el contexto de la larga duración que pueden tener. 
Sistema adiabático: Categoría especial de los sistemas aislados en el cual no hay intercambio de 
calor con el entorno, pero se puede transferir energía a través de las fronteras del sistema en 
forma de trabajo. Una pluma del manto o un cuerpo de magma que asciende y se descomprime, 
se enfría mientras que se expande hacia el entorno y realiza un trabajo expansivo. 
 
FASE 
Cuerpo homogéneo de materia (sólido, líquido o gas) con fronteras definidas hacia otras fases, y 
que puede ser separado mecánicamente de las otras fases. Un sistema puede estar compuesto 
por una fase (sistema homogéneo) o por dos o más fases (sistema heterogéneo). 
Componentes 
Describen la composición química de un sistema. Se define como el conjunto menor de fórmulas 
químicas necesarias para describir la composición de todas las fases de un sistema. 
EQUILIBRIO 
Un sistema está en equilibrio termodinámico cuando no se observa ningún cambio en sus 
propiedades termodinámicas a lo largo del tiempo. 
Este estado tiene dos atributos: 
1. En un sistema en equilibrio ninguna de sus propiedades cambian con el tiempo. 
2.Un sistema en equilibrio retornará a ese estado después de haber sido perturbado, esto es, al 
cambiar ligeramente uno o más parámetros y regresarlos nuevamente a sus valores originales. 
Cualquier sistema que tenga gradientes de temperatura, presión o composición, tenderá a 
cambiar hasta eliminar esos gradientes 
Equilibrio estable: Nivel de energía más bajo. Reúne los atributos de equilibrio. 
Equilibrio metaestable: Reúne los atributos de equilibrio, pero no tiene el nivel energético más 
bajo. Sólo si se supera la barrera de energía (energía de activación) se accederá al estado estable. 
Sistema inestable 1: Reúne primer atributo de equilibrio, pero no el segundo. 2: No reúne ninguno 
de los atributos. 
Los sistemas naturales tienden a estados de mínima energía. 
La forma estable de una sustancia es diferente a diferentes condiciones. 
PROPIEDADES DE ESTADO 
Una propiedad es cualquier cantidad que tiene un valor fijo e invariable en un sistema en 
equilibrio. Estas variables caracterizan a los estados termodinámicos y dependen sólo del estado 
presente del sistema y no de la forma en que se alcanzó ese estado. 
Propiedades extensivas: Son proporcionales a la cantidad de materia considerada y por lo tanto 
dependen del tamaño del sistema. Estas propiedades son aditivas; el valor del todo es igual a la 
suma de las partes. P. ej. Volumen, masa, energía. 
Propiedades intensivas: Son independientes de la cantidad de materia (del tamaño del sistema). 
No son aditivas. P. ej., concentración, temperatura, presión. Incluye propiedades molares, como el 
volumen molar. 
PROCESOS 
Son aquellos que afectan a un sistema termodinámico al cambiar de un estado a otro (p. ej. una 
reacción química). La trayectoria seguida en el cambio entre estados no es materia de la 
termodinámica, sino de la cinética. 
Proceso termodinámico irreversible: Cambio de un estado metaestable a un estado más estable 
de menor energía. Ejemplo: Conversión de vidrio metaestable a cristales bajo condiciones 
atmosféricas (devitrificación). La devitrificación ocurre espontáneamente en la dirección de menor 
energía. 
Proceso termodinámico reversible: Cambio de un estado inicial estable a un estado final también 
estable, pasando por una secuencia continua de estados de equilibrio. En la naturaleza no existen 
procesos perfectamente reversibles, se emplean sólo como modelos termodinámicos. 
PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA 
Ley de la conservación de la energía: La energía no se crea ni se destruye. 
Energía interna: La energía total (ET) de un sistema puede descomponerse en energía de masa 
(Em ), energía cinética (Ek ), energía potencial (Ep ), y energía interna (U): ET = Em + Ek + Ep + U. 
La energía interna U considera la energía de las partículas que constituyen el sistema y sus 
interacciones a corta distancia. 
Transferencia de energía: En sistemas cerrados, el intercambio de energía (U) entre el sistema y el 
entorno sólo puede ocurrir en dos formas: 
Calor (q) Energía que fluye a través de la frontera de un sistema en respuesta a un gradiente de 
temperatura. 
Trabajo (w) Energía que fluye a través de la frontera de un sistema en respuesta a una fuerza que 
se desplaza cierta distancia (p. ej. cuando un sistema cambia de volumen). 
 
 
 
 
Los siguientes procesos pueden involucrar pérdida o ganancia de calor: 
- Reacciones químicas como la vista anteriormente. 
 - Un cambio de estado, p.ej. la fusión de cristales 
 - Un cambio de temperatura en el sistema, sin que ocurra cambio de estado, p. ej. el 
calentamiento de cristales. 
Si se suministra calor a un cuerpo de roca, la temperatura aumentará proporcionalmente de 
acuerdo con: /\q = Cp/\T Donde la constante de proporcionalidad Cp es la capacidad calorífica 
molar a presión constante, la cual es característica del material. 
 
SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA 
En un sistema aislado, cambios espontáneos ocurren en la dirección de aumento de entropía El 
universo tiende a una máxima entropía (S) 
Esta ley introduce la función de estado S, llamada entropía, que es una medida de la uniformidad 
en la concentración de energía. Los procesos naturales espontáneos tienden a eliminar los 
gradientes de energía, o visto de otra manera, a aumentar el desorden interno del sistema. A 
mayor uniformidad en la concentración de la energía (o desorden del sistema), mayor será la 
entropía. 
Si se tiene un sistema aislado, con un gas en cada uno de los diferentes compartimientos. Al 
remover la pared que los divide, los gases se expandirán y mezclarán espontáneamente de 
manera irreversible. El estado final tiene mayor entropía por ser más uniforme (tener mayor 
desorden) 
/\S = Sfinal - Sinicial > 0 
La segunda ley establece que existe una dirección natural en la que las reacciones tienden a 
ocurrir. Esta dirección es la de mayor entropía del sistema y su entorno. El sistema tendrá la 
máxima entropía en el equilibrio. 
 
TERCERA LEY DE LA TERMODINÁMICA 
La entropía de todas las sustancias puras, cristalinas, perfectamente ordenadas es cero en el cero 
absoluto (0 kelvin =-273.15ºC). La entropía de las demás sustancias es positiva. Al disminuir la 
temperatura (o al aumentar la presión) las sustancias se vuelven cada vez más ordenadas, las 
sustituciones atómicas son menores y la entropía disminuye. 
(Sgas)baja P > (Sgas)alta P > Slíquido > Ssust. amorfa > Ssólido 
Entropía estándar de reacción /\Sºr 
El enunciado de la 3a Ley permite determinar calorimétricamente valores absolutos de la Entropía 
molar estándar Sº para sustancias cristalinas puras, y a partir de los valores de Sº es posible 
calcular la Entropía Estándar de Reacción /\Sºr .