19: La Primera Ley de la Termodinámica
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- 19.1: Panorama general de la termodinámica clásica
- Joule pudo demostrar que el trabajo y el calor pueden tener el mismo efecto en la materia, ¡un cambio de temperatura! Entonces sería razonable concluir que la calefacción, así como realizar trabajos en un sistema aumentarán su contenido energético, y así es la capacidad de realizar trabajos en los alrededores. Esto lleva a un constructo importante de la Primera Ley de la Termodinámica: La capacidad de un sistema para hacer trabajo se incrementa calentando el sistema o haciendo trabajos en él.
- 19.2: Trabajo de presión-volumen
- El trabajo en general se define como un producto de una fuerza FFF y un elemento de trayectoria dsdsds. En el caso de un cilindro, el movimiento del pistón está restringido a una dirección, aquella en la que aplicamos presión (\(P\)siendo fuerza\(F\) por área\(A\)). Por lo tanto, podemos introducir el área del pistón,\(A\), y olvidarnos de la naturaleza vectorial de la fuerza. Esta forma de trabajo se llama trabajo presión-volumen (\(PV\)), y juega un papel importante en el desarrollo de nuestra teoría.
- 19.3: Trabajo y Calor no son Funciones de Estado
- El calor y el trabajo son funciones de ruta: dependen del camino tomado. Para calcular la transferencia de calor o el trabajo que se está realizando sobre/por un sistema, se debe conocer el camino tomado.
- 19.4: La energía es una función de estado
- A diferencia del calor y el trabajo, la energía es una función de estado. Es decir, es independiente del camino tomado. Cualquier ruta puede ser utilizada para calcular el cambio de energía entre dos estados.
- 19.5: Un proceso adiabático es un proceso en el que no se transfiere energía como calor
- El trabajo es una función path ya que siempre depende del camino tomado, aunque se haga de manera reversible.
- 19.6: La temperatura de un gas disminuye en una expansión adiabática reversible
- En un proceso adiabático, no se produce transferencia de calor. Durante la expansión adiabática de un gas, la energía interna del gas se convierte en trabajo que está realizando el sistema, disminuyendo la temperatura del gas.
- 19.7: El trabajo y el calor tienen una interpretación molecular simple
- La energía interna de un sistema,\(dU\), se intercambia con el entorno del sistema, pensamiento, trabajo y calor.
- 19.8: Trabajo de presión-volumen
- Un punto importante es que el trabajo presión-volumen −PdV es solo un tipo de trabajo. Es el importante para los gases pero para la mayoría de los otros sistemas nos interesa otro tipo de trabajo (por ejemplo, trabajo eléctrico en una batería).
- 19.11: Los cambios de entalpía para las ecuaciones químicas son aditivos
- Como la entalpía y la energía son funciones de estado, debemos esperar aditividad de U y H cuando estudiemos reacciones químicas. Esta aditividad se expresa en la Ley de Hess. La aditividad tiene importantes consecuencias y la ley encuentra amplia aplicación en la predicción de calores de reacción. La reacción inversa tiene la entalpía negativa de la directa. Si podemos hacer una reacción en dos pasos podemos calcular la entalpía de la reacción combinada sumando.
- 19.12: Los calores de las reacciones se pueden calcular a partir de los calores de formación tabulados
- Las entalpías de reacción son importantes, pero difíciles de tabular. Sin embargo, debido a que la entalpía es una función de estado, es posible utilizar la Ley de Hess' para simplificar la tabulación de las entalpías de reacción. La Ley de Hess' se basa en la adición de reacciones. Conociendo la entalpía de reacción para las reacciones constituyentes, se puede calcular la entalpía de una reacción que puede expresarse como la suma de las reacciones constituyentes.
- 19.13: La dependencia de la temperatura de ΔH
- A menudo se requiere conocer las funciones termodinámicas (como la entalpía) a temperaturas distintas a las disponibles a partir de datos tabulados. Afortunadamente, la conversión a otras temperaturas no es difícil.
- La entalpía es una función de estado
- La entalpía es la energía transferida como calor en un proceso isobárico cuando se trata de trabajo en P-V.
Miniatura: Una reacción de termita usando óxido de hierro (III). Las chispas que vuelan hacia afuera son glóbulos de hierro fundido que tiran humo a su paso. (CC SA-BY 3.0; Nikthestunned).