UNIVERSIDAD NACIONAL “SAN LUIS GONZAGA” DE ICA

CURSO: TERMODINAMICA I

FACULTAD: INGENIERIA QUIMICA

CATEDRÁTICO: MAG. CUSI PALOMINO

ROSALIO

ALUMNA: QUISPE MEZA

ALIYA LILIANA

SEMESTRE: V CICLO

AÑO 2010

DEDICATORIA

Dedico este trabajo a mi familia

las cuales me ayudan con su apoyo condicional

A ampliar mis conocimientos.

Esto fue posible primero que nada

Con la ayuda de Dios por brindarme sabiduría

También especialmente a mi profesor

que me inspiro también en mis momentos frágiles

INTRODUCCION A LA TERMODINAMICA

Como muchas disciplinas, la termodinámica surge de los procedimientos empíricos que llevaron a la construcción de elementos que terminaron siendo muy útiles para el desarrollo de la vida del hombre.

Creemos que la termodinámica es un caso muy especial debido a que sus inicios se pierden en la noche de los tiempos mientras que en la actualidad los estudios sobre el perfeccionamiento de las máquinas térmicas siguen siendo de especial importancia, mas aun si tomamos en cuenta la importancia que revisten temas de tanta actualidad como la contaminación.

El origen fue sin lugar a dudas la curiosidad que despertara el movimiento producido por la energía del vapor de agua.

Su desarrollo fue tomando como objetivo principal el perfeccionamiento de las tecnologías aplicadas con el fin de hacer mas fácil la vida del hombre, reemplazando el trabajo manual por la máquina que facilitaba su realización y lograba mayor rapidez, estos avances que gravitaban directamente en la economía, por ello el inicio se encuentra en el bombeo de aguas del interior de las minas y el transporte.

Mas tarde se intensificaron los esfuerzos por lograr el máximo de rendimiento lo que llevó a la necesidad de lograr un conocimiento profundo y acabado de las leyes y principios que regían las operaciones realizadas con el vapor.

El campo de la termodinámica y su fuente primitiva de recursos se amplía en la medida en que se incorporan nuevas áreas como las referentes a los motores de combustión interna y últimamente los cohetes. La construcción de grandes calderas para producir enormes cantidades de trabajo marca también la actualidad de la importancia del binomio máquinas térmicas-termodinámica.

En resumen: en el comienzo se partió del uso de las propiedades del vapor para succionar agua de las minas, con rendimientos insignificantes, hoy se trata de lograr las máximas potencias con un mínimo de contaminación y un máximo de economía.

Para realizar una somera descripción del avance de la termodinámica a través de los tiempos la comenzamos identificando con las primitivas máquinas

térmicas y dividimos su descripción en tres etapas, primero la que dimos en llamar empírica, la segunda la tecnológica y la tercera la científica.

OBJETIVOS

Adquirir conocimientos sobre termodinámica básica para la determinación de

propiedades de sustancias, establecer la importancia de la termodinámica en

los procesos industriales. Aplicar los fundamentos de la termodinámica en los

procesos industriales. Evaluar energéticamente sistemas térmicos simples,

tanto sistemas cerrados como volúmenes de control, determinando flujos

másicos, energéticos y rendimientos de equipos o sistemas. Calcular los

parámetros fundamentales y el rendimiento de maquinas térmicas elementales,

principalmente para la producción de potencia. Calcular los parámetros

fundamentales y los coeficientes de operación en diferentes tipos de equipos

MARCO TEORICO

TERMODINAMICA:

La termodinámica es una teoría de una gran generalidad, aplicable a sistemas de estructura muy elaborada con todas las formas de propiedades mecánicas, eléctricas y térmicas complejas. Puesto que la termodinámica se focaliza en las propiedades térmicas, es conveniente idealizar y simplificar las propiedades mecánicas y eléctricas de los sistemas que estudiaremos... En nuestro estudio de la termodinámica idealizaremos nuestros sistemas para que sus propiedades mecánicas y eléctricas sean lo más triviales posibles.

Cuando el contenido esencial de la termodinámica haya sido desarrollado, será una cuestión simple extender el análisis a sistemas con estructuras mecánicas y eléctricas relativamente complejas.

La cuestión esencial es señalar que las restricciones en los tipos de sistemas considerados no son limitaciones básicas sobre la generalidad de la teoría termodinámica, y sólo se adoptan meramente para la simplificación expositiva. Restringiremos (temporalmente) nuestra atención a sistemas simples

Reacciones espontánea :

Una reacción espontánea es una reacción que ocurre naturalmente cuando se ponen en contacto los reaccionantes. En la mayoría de los casos

Reacciones no espontánea:

Es una reacción química en donde el incremento de energía libre es positivo.

Bajo condiciones de temperatura y presión constantes, esto quiere decir que el incremento en la energía libre de Gibbs estándar debe ser positivo

Para una reacción en estado estándar (a una presión estándar (1 Bar), y unas concentraciones estándar (1 molar) de todos los reactivos y productos).

Exotérmicas, es decir liberan energía hacia los alrededores

Entalpía

Existen varias propiedades termodinámicas relacionadas con la energía internaque se definen debido a la utilidad que tienen cn la aplicación de la termodinámica a los procesos prácticos. En esta sección se introduce la entalpía, y en otras secciones subsecuentes se presentan otras. Para cualquier sistema, la entalpía está definida explícitamente por la expresión matemática

H=U +PV

Para una masa unitaria, 0 para un mal, la expresión anterior se convierte en

Las unidades de todos los términos de esta ecuación deben ser las mismas.

El producto PV tiene unidades de energía, al igual que U; por consiguiente, H también tiene unidades de energía. En el sistema SI la unidad básica de presión es el Pascal, o N rnm2, y, para el volumen, el m 3. Por tanto, el producto PV tiene la unidad N m o joule. En el sistema inglés de unidades de ingeniería, una unidad común para el producto PV es el (ft lbf), el cual aparece cuando la presión está dada en (lbf) (ft)-2 y el volumen en (ft)3.

A menudo este resultado se convierte a (Btu) a través de una división por 778.16 para su uso en la ecuación debido a que la unidad común en el sistema inglés para U y H es el (Btu).

Puesto que U, P y V son todas funciones de estado, H, tal y como está definidapor la ecuación, también debe ser una función de estado. La forma diferencial de la ecuación, puede escribirse como.

dH = dU + d(PV)

Esta ecuación se aplica cada vez que ocurre un cambio diferencial en el sistema. La integración proporciona el resultado siguiente

ΔH=ΔU+Δ (PV)

Que es una expresión que puede aplicarse cada vez que ocurre un cambio finito en el sistema. Las ecuaciones, se aplican a una masa unitaria de sustancia 0 a un mol. &l igual que el volumen y la energía interna, la entalpia es una propiedad extensiva; claro está que la entalpía específica 0 molar es intensiva.

La entalpía es Útil como propiedad termodinámica debido a que el término U +PV aparece con mucha frecuencia, particularmente en problemas que involucran procesos de flujo. En el ejemplo que sigue se ilustra el cálculo de un valor numérico para H.

ENTROPIA.

La entropía describe lo irreversible de los sistemas termodinámicos. En termodinámica, la entropía (simbolizada como S) es la magnitud física que mide la parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo. Es una función de estado de carácter extensivo y su valor, en un sistema aislado, crece en el transcurso de un proceso que se dé de forma natural. La palabra entropía procede del griego (ἐντροπία) y significa evolución o transformación.

Fue Rudolf Clausius quien le dio nombre y la desarrolló durante la década de 1850.1 2

Ecuaciones

Esta idea de desorden termodinámico fue plasmada mediante una función ideada por Rudolf Clausius a partir de un proceso cíclico reversible. En todo

proceso reversible la integral curvilínea de sólo depende de los estados inicial y final, con independencia del camino seguido (δQ es la cantidad de calor absorbida en el proceso en cuestión y T es la temperatura absoluta). Por tanto ha de existir una f(x) del estado del sistema, S=f(P,V,T), denominada entropía, cuya variación en un proceso reversible entre los estados 1 y 2 es:

Téngase en cuenta que como el calor no es una función de estado se usa δQ en lugar de dQ.

La entropía física, en su forma clásica, está definida por la ecuación

O más simplemente, cuando no se produce variación de

Temperatura (proceso isotérmico):

Donde S es la entropía, la cantidad de calor intercambiado entre el sistema y el entorno y T la temperatura absoluta en kelvin). Los números 1 y 2 se refieren a los estados iniciales y finales de un sistema termodinámico.

El significado de esta ecuación es el siguiente:

Cuando un sistema termodinámico pasa, en un proceso reversible e isotérmico, del estado 1 al estado 2, el cambio en su entropía es igual a la cantidad de calor intercambiado entre el sistema y el medio dividido por su temperatura absoluta.

De acuerdo con la ecuación, si el calor se transfiere al sistema, también lo hará el grado de entropía. Si la temperatura aumenta, la entropía disminuye. Y viceversa.

Las unidades de la entropía, en el Sistema Internacional, son el J/K (o Clausius) definido como la variación de entropía que experimenta un sistema cuando absorbe el calor de 1 Julio (unidad) a la temperatura de 1 Kelvin.

Cuando el sistema evoluciona irreversiblemente, la ecuación de Clausius se convierte en una inecuación:

Siendo el sudatorio de las i fuentes de calor de las que recibe o transfiere calor el sistema y la temperatura de las fuentes. No obstante, sumando un término positivo al segundo miembro, podemos transformar de nuevo la expresión en una ecuación:

Al termino σp, siempre positivo, se le denomina producción de entropía y es nulo cuando el proceso es reversible salvo irreversibilidades fruto de transferencias de calor con fuentes externas al sistema. En el caso de darse un

proceso reversible y adiabático, según la ecuación, dS=0, es decir, el valor de la Entropía es constante y además constituye un proceso isoentrópico

Entropía y reversibilidad

La entropía global del sistema es la entropía del sistema considerado más la entropía de los alrededores. También se puede decir que la variación de entropía del universo, para un proceso dado, es igual a su variación en el sistema más la de los alrededores:

Si se trata de un proceso reversible, ΔS (universo) es cero pues el calor que el sistema absorbe o desprende es igual al trabajo realizado. Pero esto es una situación ideal, ya que para que esto ocurra los procesos han de ser extraordinariamente lentos y esta circunstancia no se da en la naturaleza.

Por ejemplo, en la expansión isotérmica (proceso isotérmico) de un gas, considerando el proceso como reversible, todo el calor absorbido del medio se transforma en trabajo y Q=W. Pero en la práctica real el trabajo es menor ya que hay pérdidas por rozamientos, por lo tanto, los procesos son irreversibles.

Para llevar al sistema, de nuevo, a su estado original hay que aplicarle un trabajo mayor que el producido por el gas, dando como resultado una transferencia de calor hacia el entorno, con un aumento de la entropía global.

Como los procesos reales son siempre irreversibles, siempre aumentará la entropía. Así como "la energía no puede crearse ni destruirse", la entropía puede crearse pero no destruirse. Podemos decir entonces que "como el Universo es un sistema aislado, su entropía crece constantemente con el tiempo". Esto marca un sentido a la evolución del mundo físico, que llamamos "Principio de evolución".

Cuando la entropía sea máxima en el universo, esto es, exista un equilibrio entre todas las temperaturas y presiones, llegará la muerte térmica del Universo (enunciado por Clausius). Toda la energía se encontrará en forma de calor y no podrán darse transformaciones energéticas.

ENERGIA LIBRE DE GIBBS.

En termodinámica, la energía libre de Gibbs (o energía libre) es un potencial termodinámico, es decir, una función de estado extensiva con unidades de energía, que da la condición de equilibrio y de espontaneidad para una reacción química (a presión y temperatura constantes).

La segunda ley de la termodinámica postula que una reacción química espontánea hace que la entropía del universo aumente, ΔSuniverso > 0, así mismo ΔSuniverso esta en función de ΔSsistema y ΔSalrededores. Por lo general sólo importa lo que ocurre en el sistema en estudio y; por otro lado el cálculo de ΔSalrededores

puede ser complicado.

Por esta razón fue necesario otra función termodinámica, la energía libre de Gibbs, que sirva para calcular si una reacción ocurre de forma espontánea tomando en cuenta solo las variables del sistema.

Cálculo de la energía libre de Gibbs

Los cambios en la energía libre

Contenido de calor; T es la temperatura y S es la entropía del sistema. Fue desarrollada en los años 1870 por el físico-matemático estadounidense Williard Gibbs.

Cambios de energía libre estándar

La energía libre de reacción, se denota, , es el cambio de energía en una reacción a condiciones estándares. En esta reacción los reactivos en su estado estándar se convierten en productos en su estado estándar.

Dada la siguiente ecuación química:

La energía libre se calcula como

Donde A y B son los reactivos en estado estándar y; C y D son los productos en su estado estándar. Además a, b, c y d son sus respectivos coeficientes estequiométricos.

En general:

Donde m y n son los coeficientes estequiométricos.

Así como en el cálculo de la entalpía, en la energía libre estándar de formación para cualquier elemento en su forma estable (1 atm y 25ºC) es 0

La variación de energía libre de Gibbs para un proceso a temperatura constante viene dada por:

La temperatura puede ser un factor determinante a la hora de hacer que un proceso sea espontáneo o no lo sea.

Significado de

La condición de equilibrio es La condición de espontaneidad es El proceso no es espontáneo cuando:

(Esta última condición nos dice que la reacción no se producirá).

La energía de Gibbs molar parcial, es lo que se conoce con el nombre de potencial químico, que es lo que se maneja en cálculos termodinámicos en equilibrio, ya que el equilibrio químico entre dos sistemas implica la igualdad de potenciales químicos y su uso facilita los cálculos.

Demostración matemática

Partimos de:

Como:

Reemplazando:

Multiplicando por T:

Es decir:

1) REACCION ESPONTANEA:

3H2 + N2 ----------- 2NH3 -22.08

Compuesto ∆H ∆S ∆G H2 0 0 0 N2 0 0 0 NH3 -11.04 46.01 -23.976

∆G = ∆H + T ∆S ∆G-∆H/∆S = T

∆G 0 -11.04 T 0.23994784 0

2) REACCION ESPONTANEA:

CaC2(s) + 2H2O (l) ---------- Ca (OH) 2(s) + C2H2 (g) ∆H= -136.626 ∆S= 33.432 ∆G= -113.3804 Compuesto ∆H ∆S ∆G CaC2 -15 16.8 16.2 H2O -68.313 16.71 -56.6902 Ca(OH)2 -235.8 18.2 -214.33 C2H2 54.194 47.977 50

Total -29.98 15.945 -67.1496

∆G = ∆H + T ∆S ∆G-∆H/∆S=T

∆G 0 -29.98 T 1.88021323 0

3) REACCION NO ESPONTANEA: C2H4 (g) + H2O (l) ---------- C2H5OH (l) Compuesto ∆H ∆S ∆G

C2H4 12.496 52.45 16.282 C2H5OH -66.356 38.4 -56.6902 H2O -68.313 16.716 -41.77

Total -10.539 -30.766 -1.3618

∆G = ∆H - T ∆S ∆G-∆H/∆S=T

∆G 0 -10.539 T -0.34255347 0

CONCLUSIONES

La termodinámica es el estudio de las relaciones entre las diferentes

propiedades de la materia que dependen de la temperatura. Se basa sobre tres

leyes a saber:

Primera Ley de la Termodinámica: la energía puede ser convertida de una

forma a otra, pero no se puede crear o destruir.

Segunda Ley de la Termodinámica: la entropía del universo aumenta en un

proceso espontáneo y se mantiene constante en un proceso que se encuentra

en equilibrio.

Tercera Ley de la Termodinámica: la entropía de una sustancia cristalina

perfecta es cero a la temperatura del cero absoluto.

La Termodinámica permite usar la información obtenida en los experimentos de

un sistema para obtener conclusiones sobre otros aspectos del mismo sistema,

sin tener que hacer más experimentación. El desarrollo de la termodinámica

tiene un origen empírico como muchas de las partes de la tecnología.

Una de las curiosidades en la aplicación temprana de efectos del vapor en la

etapa que dimos en llamar empírica y que a lo largo de su desarrollo cambiara

su origen en varias hipótesis, flogisto, calórico y finalmente energía.

Finalmente, se concluye resaltando la importancia que tiene el equilibrio de un

sistema cualquiera con su medio ambiente.

BIBLIOGRAFIA

http://mtzpz.bankhacker.com/termodinamica/biblio-termo.phtml