Carrera 100 metres

Intenta descriure amb paraules des del punt de vista de la física la carrera de Usain Bolt.

Una vegada has fet la descripció anem a veure les dades de la carrera de Bolt.

Apunts de Termoquímica

Quan es comença en termoquímica hi ha nous conceptes i pot paréixer tot un poc confús, així que millor tindre uns apunts que resumisquen bé els principals conceptes. Són molts recomanables els de la pàgina FiSiQuiWeb.

Apunts termoquímica I.

Apunts termoquímica II.

Exercicis termodinàmica

Exercicis termodinàmica.

Solucions exercicis termodinàmica.

Energia lliure de Gibbs. Espontaneïtat de les reaccions

A partir de l'entalpia i l'entropia es defineix una nova magnitud anomenada energia lliure de Gibbs G de la següent manera:

G=H-T·S

La unitat de l'energia lliure de Gibbs en el sistema internacional és el Joule (J).

Si la temperatura i la pressió es constant es pot escriure:

Si:

:una reacció química és espontània.

: una reacció química no és espontània.

És interessant analitzar els dos termes de la resta a la que és igual l'energia lliure de Gibbs.

representa l'energia total transferida en el procés.

 representa la part d'energia que no és aprofitable per fer un treball. Per tant, és l'energia que no es pot aprofitar.

A partir de l'expressió de l'energia lliure de Gibbs es pot veure que sí:

 : la reacció sempre és espontània.

 : la reacció és espontània a baixes temperatures (quan el terme de la variació l'entalpia és major en valor absolut al producte de la temperatura per la variació d'entropia).

 : la reacció és espontània a altes temperatures. (quan el terme de la variació l'entalpia és menor en valor absolut al producte de la temperatura per la variació d'entropia).

:  la reacció mai és espontània.

Entropia. Reaccions reversibles i irreversibles

Les reaccions exotèrmiques són favorables des del punt de vista energètic perquè es desprèn calor i les endotèrmiques no ho són perquè s'ha d'absorbir calor. Encara així es veu que algunes reaccions endotèrmiques es donen de manera espontània en la natura (això vol dir que es donen sense cap aport d'energia). Així que per estudiar si una reacció es dóna de manera espontània en la natura, a banda de les de l'energia hi haurà altres factors. I per això hi ha que estudiar l'entropia.

L'entropia és una magnitud que des del punt de vista microscòpic està relacionat amb el grau de desordre d'un sistema. Els sistemes molt desordenats tenen una entropia molt alta i els sistemes molt ordenats tenen una entropia molt baixa.

Per donar la definició matemàtica d'entropia s'ha introduït el que és un procés reversible. Aquestos processos són aquells en que el sentit del canvi es pot revertir en qualsevol moment fent xicotetes variacions en les condicions externes. Així aquestos processos suposen passar per una successió d'estats d'equilibri.

Per la seua banda, hi ha processos físics, com la mescla de gasos o la dissolució de sal en aigua que són espontanis i no requereixen d'un aport energètic extern. Aquestos processos es caracteritzen perquè a banda de ser espontanis són irreversibles. Això vol dir, per exemple, que quan es mesclen dos gasos no passa que de manera espontània els gasos es separen.

Per a processos reversibles l'entropia es pot calcular com:

La unitat d'entropia en el sistema internacional d'unitats és J/K.

En cas de que el procés fóra irreversible es té:

A partir del que s'ha anat indicant en aquest punt l'entropia d'un sistema augmenta si:

• Les substàncies passen de sòlid a líquid o de líquid a gas. Això és perquè les partícules estan més ordenades quan estan en estat sòlid que en estat líquid i més ordenades quan estan en estat líquid que en estat gas. Com l'entropia està relacionat amb el major desordre del sistema a nivell atòmic, aleshores l'entropia d'un gas sol ser major que la de la substància en estat líquid i aquesta major que la de la substància en estat gas.
• Quan major nombre de mol es formen d'una substància gasosa. Perquè com les molècules es mouen lliurement, quan més molècules tenim major desordre hi haurà.
• Es dissolen sòlids en líquids. Les partícules del líquid atrauen a les del sòlid i aquestes es troben entre les del líquid, de manera que el desordre de les diferents partícules és molt més gran que quan les partícules estan separades. Per això augmenta l'entropia.
• En una reacció hi ha un gran augment del nombre de mol de productes respecte al de reactius. En aquest cas el sistema també és molt més desordenat i augmenta l'entropia.

L'entropia molar estàndard d'una substància, S⁰, és la seua entropia en condicions estàndard, per tant és l'entropia d'un mol de substància a la pressió de 1 atm i temperatura de 25 ºC.

Respecte a l'entropia estàndard d'una reacció es pot calcular de manera pareguda a com es feia amb l'entalpia d'una reacció.

Reaccions endotèrmiques i exotèrmiques

Una reacció química suposa una reordenació atòmica, de manera que al principi tenim unes substàncies i al final unes altres. Per formar-se les noves substàncies s'han de trencar enllaços de les substàncies que teníem inicialment i s'han de formar nous enllaços. Per trencar enllaços hi ha que fer un aport d'energia i quan es trenquen els enllaços es desprén energia. Com a conseqüència l'energia que tenen les substàncies que s'han format sol ser diferent de les substàncies que teníem i això implica que en tota reacció química s'absorbeix o s'allibera energia.

La termoquímica és la part de la química que estudia l'energia associada a les reaccions químiques.

Una reacció s'anomena exotèrmica quan es desprén energia i s'anomena endotèrmica quan s'absorbeix energia.

En una reacció exotèrmica l'energia del reactius és major que la dels productes i per això s'allibera energia.

Un exemple de reacció exotèrmica és la respiració cel·lular. Sense entrar en massa detalls, en la respiració cel·lular els nutrients, que són substàncies orgàniques com per exemple la glucosa, es combinen amb oxigen per obtindre diòxid de carboni, aigua i energia que serà aprofitable per a la cèl·lula.

En una reacció endotèrmica l'energia del reactius és menor que la dels productes i per això es necessita una absorció d'energia per a que es puga produir.

Un exemple de reacció endotèrmica és la fotosíntesi perquè necessita llum solar per a produir-se (el sistema absorbeix energia). En la fotosíntesi es produeix matèria orgànica i oxigen a partir de diòxid de carboni, sals minerals i aigua, però la reacció no es produeix sense l'absorció de llum.

Agraïment: La imatge de la gràfica d'una eacció exotèrmica és de: "Ac com" by User:Slashme - Re-drawn from en:Image:Ac_com.png. Licensed under Public Domain via Wikimedia Commons.

via Wikimedia Commons – https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ac_com.svg#/media/File:Ac_com.svg.

Treball, calor, energia interna

Treball mecànic (W).

És una manera d'intercanviar energia entre sistemes. En física es defineix el treball com el producte escalar de la força i el vector desplaçament. Per simplificar aquesta definició una força fa un treball sobre un objecte si aquesta força produeix un desplaçament de l'objecte.

El treball es representa amb la lletra W i la seua unitat en el sistema internacional és el Joule (J).

Imagina que hi ha un gas tancat en un recipient. Es considera que és una xeringa . El treball mecànic és el treball per variar el volum que ocupa el gas. Per variar el volum del gas es pot fer un treball sobre el gas o que el gas siga el que fa el treball. Hi ha que diferenciar els dos casos des del punt de vista matemàtic.

A partir d'ara es seguirà aquest criteri de signes:

Treball positiu: realitzat sobre el sistema, aleshores el treball és positiu.

Treball negatiu: realitzat pel sistema, seria quan el sistema s'expandeix.

Calor.

És una de les maneres que hi ha d'intercanviar energia entre el sistema. Quan dos cossos que estan a diferent temperatura hi ha una transferència d'energia entre els dos cossos de manera que passa energia del cos que està a major temperatura fins al cos que està a menor temperatura.

El calor és energia en transit. Es representa amb la lletra Q i la seua unitat en el sistema internacional és el Joule (J).

Respecte al criteri de signes de la calor que s'utilitza en termodinàmica és important conéixer el següent:

Calor positiu: si entra energia des de l'exterior cap al sistema en forma de calor.

Calor negativa: si ix energia des del sistema cap a l'exterior en forma de calor.

Energia interna d'un sistema.

L'energia interna del sistema (U) és una mesura macroscòpica que és el resultat de considerar totes les energies de les partícules del sistema, ja siga cinètica o potencial.

La unitat de l'energia en el sistema internacional és el Joule (J).

Per exemple, si hi ha aire dins d'una xeringa que no permet l'intercanvi de matèria amb l'exterior i aquest és el sistema d'estudi, l'energia interna del sistema seria la suma de totes les energies de cada molècula que forma l'aire. Com les molècules estan en moviment tenen energia cinètica, com ocupen un lloc en l'espai i estan sotmeses a la força de la gravetat hi ha una energia potencial gravitatòria i també hi ha energia química perquè els àtoms estan enllaçats per formar molècules, però aquesta energia no és més que energia potencial elèctrica degut a que els enllaços es formen degut a forces elèctriques entre els nuclis i els electrons.

Primer principi de la termodinàmica

És l'aplicació del principi de conservació de l'energia per a calcular l'energia interna d'un sistema i incloent les transferències d'energia en forma de calor. Diu el següent:

El que diu aquest principi és que si es modifica l'energia interna d'un sistema és perquè ha hagut un intercanvi d'energia en forma de calor amb l'exterior o perquè ha hagut un treball, que ha fet el sistema o que han fet sobre el sistema.

Els criteris de signes que s'utilitzen són els següents:

Tot l'energia que entra en el sistema és positiva, perquè serveix per augmentar l'energia interna. Així el treball que es fa sobre el sistema o la calor sobre el sistema és positiva.

Tota l'energia que ix del sistema és negativa. Això passa perquè el sistema fa un treball sobre l'exterior o perquè hi ha un intercanvi d'energia en forma de calor entre el sistema i l'exterior.

Termoquímica. Conceptes previs

Introducció.

La termodinàmica estudia les transformacions d'energia a nivell macroscòpic en un sistema físic.

La termoquímica és la part de la química que estudia l'energia associada a les reaccions químiques. Per entendre la termoquímica és important conèixer primer alguns conceptes previs.

Sistema.

Un sistema és el conjunt de partícules (molècules, àtoms, ions,...) objecte del nostre estudi.

Hi ha tres tipus de sistemes:

- Aïllats: són els que no intercanvien ni matèria ni energia amb l'exterior.

- Tancats: intercanvien energia, però no matèria amb l'exterior.

- Oberts: intercanvien matèria i energia amb l'exterior.

Per estudiar el sistema s'estudia el que s'anomenen variables d'estat, que són la composició del sistema, la pressió, la temperatura i el volum.

Per exemple imagina que es vol el gas que hi ha dins d'una xeringa que té la part on es posa l'agulla tapada. Aleshores el gas és el sistema a estudiar i seria un sistema tancat, perquè en principi no intercanviaria matèria amb l'exterior, però si podria intercanviar energia. Per veure que pot intercanviar fes el següent:

Posa la xeringa vertical cap abaix. Comprimeix l'aire dins de la xeringa tot el que pugues fent força amb el dit sobre l'èmbol. Aleshores deixa de fer força i manté el dit damunt de l'èmbol. Què li passa al teu dit? El moviment d'aquest és perquè l'aire ha fet una expansió i li ha tramés energia al teu dit.