Entropia Monografia. 1v4v4n

UNIVERSIDAD NACIONAL JOSÉ FAUSTINO SÁNCHEZ CARRIÓN

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y METALÚRGICA ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE ING. METALÚRGICA

MONOGRAFÍA ENTROPÍA ALUMNO: makano DOCENTE: Ing. Ronald Rodríguez Espinoza ING. QUÍMICO-registro C.I.P N°95579 HUACHO-PERÚ 2017

DEDICATORIA Quiero dedicar este trabajo monográfico en primer lugar a Dios, el Padre que siempre nos ama con un amor incomparable, a mis padres que me dan de su amor, cariño y apoyo en todo, a mis compañeros de clase, a mi profesor Ronald Rodríguez por llenarme de conocimientos en el curso de Fenómenos de fluidos, también agradecer a mi familia quienes me dan su apoyo.

1

AGRADECIMIENTOS A la escuela profesional de Ing. Metalúrgica, que me brinda los conocimientos necesarios para crecer académicamente, a través de la plana docente.

2

PRESENTACIÓN El presente trabajo tiene como tema principal ENTROPIA, para lo cual hemos recopilado datos informativos del internet, revistas, folletos, sintetizando y analizando las partes más importantes de lo que se quiere dar a conocer. Así mismo el trabajo está acompañado de gráficos, para un mejor entendimiento visual de los estudiantes, esperando que sea de gran importancia y utilidad.

3

RESUMEN La termodinámica estudia el procedimiento en los que se transfiere energía como calor y trabajo. Se sabe que se efectúa trabajo cuando la energía se transfiere de un cuerpo a otro por medios mecánicos. Sistemas es una parte del universo que se aísla para someterla a estudio. Termoquímica es una parte de la Química que estudia el intercambio energético de un sistema químico con el exterior. El primer principio de la termodinámica es conocido también como la ley de la conservación de la energía, la energía total del universo es constante. En la termodinámica el primer principio puede ser expresado para un sistema cerrado. En la termodinámica denominamos transformación isócora a la que transcurre sin cambio en el volumen del sistema. El enunciado de Clausius está relacionado con el funcionamiento de una máquina frigorífica, la experiencia enseña que para extraer el calor de un foco frío y pasarlo de un foco caliente se requiere siempre el consumo de trabajo. La formulación de Kelvin - Planck del segundo principio puede expresarse como, una cantidad neta de trabajo a su entorno recibe energía por transferencia de calor procedente de un único reservorio térmico. Entropía describe lo irreversible de los sistemas termodinámicos. Es la magnitud física que mide la parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo

4

Energía libre de gibbs existen reacciones químicas que son espontáneas (que suceden por sí solas) y otras que no lo son. Para saber dentro de qué tipo entra una reacción determinada, se recurre a la fórmula de la energía libre de Gibbs.

5

INDICE

DEDICATORIA ...................................................................................................... 1 AGRADECIMIENTOS........................................................................................... 2 PRESENTACIÓN ................................................................................................... 3 RESUMEN .............................................................................................................. 4 INDICE ................................................................................................................... 6 INTRODUCCION................................................................................................... 9 CAPÍTULO I ......................................................................................................... 11 TERMODINAMICA............................................................................................. 11 1.1 DEFINICION ..................................................................................................... 11 1.2 SISTEMAS ........................................................................................................... 11 1.3 DEFINICIÓN DE TERMOQUÍMICA ................................................................. 11 1.4 VARIABLES DE ESTADO ................................................................................. 12 1.5 FUNCIONES DE ESTADO ................................................................................. 12 CAPITULO II........................................................................................................ 13 PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA ........................................... 13

6

2.1 ENERGIA INTERNA: (𝕌) .................................................................................. 13 2.2 CALOR A VOLUMEN CONSTANTE: (𝑸𝑽)..................................................... 14 2.3 CALOR A PRESIÓN CONSTANTE: (𝑸𝑷) ........................................................ 14 CAPITULO III ...................................................................................................... 16 SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA ....................................... 16 3.1 ENUNCIADO DE CLAUSIUS ............................................................................ 16 3.2 ENUNCIADO DE KELVIN – PLANCK ............................................................. 17 3.3 EQUIVALENCIA EN AMBOS PRINCIPIOS .................................................... 17 CAPITULO IV ...................................................................................................... 19 ENTROPÍA ........................................................................................................... 19 1.

DEFINICIÓN ..................................................................................................... 19

2.

TERCER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA ........................................ 19 CAPITULO V ....................................................................................................... 21 ENERGÍA LIBRE DE GIBBS .............................................................................. 21

1.

ENERGÍA LIBRE DE GIBBS (𝔾) ................................................................... 21

1.1 SI ∆H ES NEGATIVO Y ∆S ES POSITIVO .................................................... 21 1.2 SI ∆H ES POSITIVO Y ∆S ES NEGATIVO .................................................... 21

7

1.3 SI ∆H ES NEGATIVO Y ∆S ES NEGATIVO .................................................. 22 1.4 SI ∆H ES POSITIVO Y ∆S ES POSITIVO ....................................................... 22 CONCLUSIÓN ..................................................................................................... 23 BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................... 24

8

INTRODUCCION La termodinámica estudia el procedimiento en los que se transfiere energía como calor y trabajo. Se sabe que se efectúa trabajo cuando la energía se transfiere de un cuerpo a otro por medios mecánicos. El calor entrega energía de un cuerpo a un segundo cuerpo que está a menor temperatura. Por lo tanto el calor es muy semejante al trabajo (Rolle, 1999). El primer principio de la termodinámica es conocido también como la ley de la conservación de la energía dice que la energía total del universo es constante. Por lo tanto, la energía no se puede crear tampoco se puede destruir, solo se puede transformar en diferentes formas (Guggenheim, 1976). El enunciado de Clausius está relacionado con el funcionamiento de una máquina frigorífica, la experiencia enseña que para extraer el calor de un foco frío y pasarlo de un foco caliente se requiere siempre el consumo de trabajo, Clausius enuncia el segundo principio de la termodinámica en la forma: " No es posible construir una máquina cíclica cuyo único resultado sea el pasar calor de una fuente fría a otra caliente" (Anónimo, 2005). La formulación de Kelvin - Planck del segundo principio puede

expresarse como

sigue: " Es posible construir un sistema que, operando según un ciclo termodinámico, ceda una cantidad neta de trabajo a su entorno recibe energía por transferencia de calor procedente de un único reservorio térmico" (Moran, 2004). La entropía describe lo irreversible de los sistemas termodinámicos. Es la magnitud física que mide la parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo (Guggenheim, 1976).

9

En procesos reversibles y a temperatura constante se puede calcular ∆𝕊 de un sistema en la siguiente ecuación (Anónimo, 2005). En la naturaleza, existen reacciones químicas que son espontáneas (que suceden por sí solas) y otras que no lo son. Para saber dentro de qué tipo entra una reacción determinada, se recurre a la fórmula de la energía libre de Gibbs (Rolle, 1999).

10

CAPÍTULO I TERMODINAMICA 1.1 DEFINICION La termodinámica estudia el procedimiento en los que se transfiere energía como calor y trabajo. Se sabe que se efectúa trabajo cuando la energía se transfiere de un cuerpo a otro por medios mecánicos. El calor entrega energía de un cuerpo a un segundo cuerpo que está a menor temperatura. Por lo tanto el calor es muy semejante al trabajo (Rolle, 1999). 1.2 SISTEMAS Es una parte del universo que se aísla para someterla a estudio. El resto está denominada entorno y estos pueden ser: abiertos (intercambia materia y energía con el entorno), cerrados (no intercambia materia y sí energía), aislados (no intercambia ni materia ni energía) (Prausnitz, 2000). 1.3 DEFINICIÓN DE TERMOQUÍMICA Es una parte de la Química que estudia el intercambio energético de un sistema químico con el exterior. Hay diferentes sistemas químicos que evolucionan de reactivos a productos desprendiendo energía y estas son: las reacciones exotérmicas y reacciones endotérmicas (Moran, 2004). 11

1.4 VARIABLES DE ESTADO Las variables son magnitudes que pueden cambiar a lo largo de un proceso (por ejemplo, en el transcurso de una reacción química) y estas pueden ser: presión, temperatura, volumen y concentración (Rolle, 1999). 1.5 FUNCIONES DE ESTADO Son variables de estado todo aquel que tienen un valor único para cada estado del sistema. Su variación va a depender del estado inicial y final y no del camino desarrollado. Aquellas funciones de estado son: presión, temperatura, energía interna, entalpía y las no son funcione de estado son: calor, trabajo (Wark, 2000).

12

CAPITULO II PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA 2.1 ENERGIA INTERNA: (𝕌) El primer principio de la termodinámica es conocido también como la ley de la conservación de la energía dice que la energía total del universo es constante. Por lo tanto, la energía no se puede crear tampoco se puede destruir, solo se puede transformar en diferentes formas (Guggenheim, 1976).

En la termodinámica el primer principio puede ser expresado para un sistema cerrado (cuya energía potencial y cinética no cambia) y para cualquier medio que acaba y termina con estados de equilibrio (Anónimo, 2005).

∆𝕌 = 𝑸 + 𝑾 … (𝟏)

13

Figura 1: Primer principio de la termodinámica Fuente:http://laplace.us.es/wiki/index.php/Primer_principio_de_la_termodin%C3 %A1mica_(GIE) 2.2 CALOR A VOLUMEN CONSTANTE: (𝑸𝑽 ) En la termodinámica denominamos transformación isócora a la que transcurre sin cambio en el volumen del sistema. Las reacciones en química ocurren sin un cambio agradable en el volumen. A toda absorción o emisión de calor en estas condiciones la calificamos calor a volumen constante. En el primer principio de la termodinámica, se muestra que en este caso la variación de energía interna coincide con el calor a volumen constante ya que no hay realización de trabajo al no variar el volumen del sistema (Guggenheim, 1976).

∆𝕌 = 𝑸𝑽 + 𝑾 … (𝟐) 2.3 CALOR A PRESIÓN CONSTANTE: (𝑸𝑷 ) En termodinámica denominamos transformación isóbara a la que transcurre sin cambio en la presión, este es el caso de demasiadas reacciones químicas que se producen 14

en el laboratorio a presión atmosférica y que implica el concurso de gases. En estos casos sí que puede haber realización de trabajo, por lo que deberemos tenerlo en cuenta al utilizar el primer principio de la termodinámica. El calor cedido en estas reacciones obtiene el nombre de entalpía de reacción (∆𝑯) (Tester, 1996).

∆𝕌 = 𝑸𝑷 + 𝑾 = ∆𝑯 + 𝑾 … (𝟑)

15

CAPITULO III SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA 3.1 ENUNCIADO DE CLAUSIUS El enunciado de Clausius está relacionado con el funcionamiento de una máquina frigorífica, la experiencia enseña que para extraer el calor de un foco frío y pasarlo de un foco caliente se requiere siempre el consumo de trabajo, Clausius enuncia el segundo principio de la termodinámica en la forma: " No es posible construir una máquina cíclica cuyo único resultado sea el pasar calor de una fuente fría a otra caliente" (Anónimo, 2005). Esta forma de la segunda ley de la termodinámica es en esencia, la afirmación de que el calor no puede fluir espontáneamente desde un objeto frío a otro más caliente (Cromer, 1996). La integral a lo largo de un ciclo reversible "R" del cociente entre el calor δQ intercambiado por un sistema con fuentes térmicas y la temperatura T de dichas fuentes será nula (Puig, 2010).

∮

𝜹𝑸𝒓𝒆𝒗𝒆𝒓𝒔𝒆 = 𝟎 … (𝟒) 𝑻

∮

𝜹𝑸𝒊𝒓𝒓𝒆𝒗𝒆𝒓𝒔 ≤ 𝟎 … (𝟓) 𝑻 16

3.2 ENUNCIADO DE KELVIN – PLANCK La formulación de Kelvin - Planck del segundo principio puede

expresarse como

sigue: " Es posible construir un sistema que, operando según un ciclo termodinámico, ceda una cantidad neta de trabajo a su entorno recibe energía por transferencia de calor procedente de un único reservorio térmico" (Moran, 2004). Es imposible un proceso cuyo único resultado sea la absorción de calor procedente de un foco y la conservación de este calor en trabajo (Fernández, 2001). 3.3 EQUIVALENCIA EN AMBOS PRINCIPIOS Para poner de manifiesto la equivalencia entre el enunciado de Clausius y el de Kelvin - Planck partimos de una máquina 1 que viola el enunciado de Clausius y junto a ella opera otra máquina 2 que funciona correctamente según se muestra en la figura 04. Al acoplar ambas máquinas se resulta una nueva máquina 1 + 2 que extrae una cantidad de calor del foco caliente y lo transforma íntegramente en el trabajo mecánico violando por tanto el enunciado de Kelvin - Planck (Fernández, 2001).

17

Figura 1: Equivalencia entre Kelvin – Planck y Clausius

Fuente:http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/termo2p/eq uivalencia.html

18

CAPITULO IV ENTROPÍA 1. DEFINICIÓN Describe lo irreversible de los sistemas termodinámicos. 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 (Guggenheim, 1976).

∆𝕊 = 𝕊𝒇𝒊𝒏𝒂𝒍 − 𝕊𝒊𝒏𝒊𝒄𝒊𝒂𝒍 … (𝟔) Existen tablas de S0 (entropía molar estándar) de diferentes sustancias. En una reacción química (Guggenheim, 1976).

∆𝕊∘ = ∑𝒏𝒑 × 𝕊°𝒑𝒓𝒐𝒅𝒖𝒄𝒕𝒐𝒔 − ∑𝒏𝒓 × 𝕊°𝒓𝒆𝒂𝒄𝒕𝒂𝒏𝒕𝒆𝒔 … (𝟕) 2. TERCER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA En procesos reversibles y a temperatura constante se puede calcular ∆𝕊 de un sistema en la siguiente ecuación (Anónimo, 2005).

∆𝕊 =

𝑸 … (𝟖) 𝑻 19

Y si el proceso químico se produce a presión constante va ser igual a la siguiente ecuación (Anónimo, 2005).

∆𝕊(𝒔𝒊𝒔𝒕𝒆𝒎𝒂)

∆𝑯(𝒔𝒊𝒔𝒕𝒆𝒎𝒂) −∆𝑯(𝒆𝒏𝒕𝒐𝒓𝒏𝒐) = ; ∆𝕊(𝒆𝒏𝒕𝒐𝒓𝒏𝒐) = … (𝟗) 𝑻 𝑻

20

CAPITULO V ENERGÍA LIBRE DE GIBBS 1. ENERGÍA LIBRE DE GIBBS (𝔾) En la naturaleza, existen reacciones químicas que son espontáneas (que suceden por sí solas) y otras que no lo son. Para saber dentro de qué tipo entra una reacción determinada, se recurre a la fórmula de la energía libre de Gibbs (Rolle, 1999).

∆𝔾° = ∆ℍ − 𝑻∆𝕊 … (𝟗) 1.1 SI ∆H ES NEGATIVO Y ∆S ES POSITIVO Lo que traducido a letra significa “reacción exotérmica y aumento de entropía en el sistema”. Si ∆ℍ es menor que cero y ∆𝕊 es positivo, tanto el primer término como el segundo salen negativos, y por lo tanto ∆𝔾° será siempre también menor que cero (reacción espontánea) (Moran, 2004). 1.2 SI ∆H ES POSITIVO Y ∆S ES NEGATIVO Es decir, “reacción endotérmica y descenso de entropía”. Se dice que, una reacción que necesite absorber energía y encima la use para ordenar sus moléculas, tiene todo para no ser espontánea. Y en efecto, el primer término sale positivo, y el segundo, al tener ya

21

un signo menos delante, se convierte también en positivo. Y como la reacción ∆𝔾° > 𝟎 nunca será espontánea (Guggenheim, 1976). 1.3 SI ∆H ES NEGATIVO Y ∆S ES NEGATIVO El en valor absoluto ∆ℍ > 𝑻∆𝕊 , el término negativo es más grande, el resultado final es negativo y por lo tanto la reacción es espontánea y si en valor absoluto ∆ℍ > 𝑻∆𝕊 el término positivo es más grande, el resultado final es positivo y por lo tanto la reacción no es espontánea (Rolle, 1999). 1.4 SI ∆H ES POSITIVO Y ∆S ES POSITIVO El en valor absoluto ∆ℍ > 𝑻∆𝕊, el término positivo es más grande, el resultado final es positivo y por lo tanto la reacción no es espontánea y si en el valor absoluto ∆ℍ > 𝑻∆𝕊 el término negativo es más grande, el resultado final es negativo y por lo tanto la reacción es espontánea (Moran, 2004).

22

CONCLUSIÓN Con este trabajo se da a conocer los principios de la termodinámica en la primera, segunda ley de la termodinámica. La entropía describe lo irreversible de los sistemas termodinámicos, donde la variación de la entropía va a ser igual a la entropía final menos la entropía inicial. Existen tablas de S0 (entropía molar estándar) de diferentes sustancias. En una reacción química. Energía libre existe reacciones químicas que son espontáneas. Para saber dentro de qué tipo entra una reacción determinada, se recurre a la fórmula de la energía libre de Gibbs.

23

BIBLIOGRAFÍA Kurt C. Rolle (1999). Termodinámica. Ed. Prentice Hall. Michael J. Moran (2004). Fundamentos de termodinámica. Editorial reverté. Fernando Rajadell (2005). Termodinámica química. Ed. Universitat Jaume. Kenneth Wark (2000). Termodinámica. Ed. McGraw Hill John M. Prausnitz (2000). Termodinámica molecular de los equilibrios de fase. Ed. Prentice Hall Guggenheim, E. A. (1976). Termodinámica. Ed. North-Holland. Tester, J. W. (1996). Termodinámica y sus aplicaciones. Ed. Prentice Hall.

24