Exercicis termodinàmica

Exercicis termodinàmica.

Solucions exercicis termodinàmica.

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.

Objectiu 11 de química

Aquest objectiu és el següent:

Utilitzar l’energia lliure de Gibbs per a predir l’espontaneïtat d’una reacció química i justificar-la en funció dels factors entálpics, entròpics i la temperatura.

Això implica.

- Conéixer l'energia lliure de Gibbs.
- Predir l'espontaneïtat d'una reacció química i justificar-la en funció dels factors entálpics, entròpics i la temperatura.

Objectiu 10 de química

Aquest objectiu implica el següent:

Predir la variació d’entropia en una reacció química en funció de la molecularitat i estat dels compostos que intervenen per a distingir els processos reversibles i irreversibles i associar-la amb l’espontaneïtat del procés.

Això implica que:

- Conéixer el concepte d'entropia.
- Fer prediccions de les variacions d'entropia en una reacció química.
- Entendre quin paper juga l'entropia per distingir entre processos reversibles i no reversibles i associar-lo amb l'espontaneïtat del procés.

Entalpia i condicions estàndard

Entalpia.

Moltes reaccions es donen en recipients oberts a l'exterior i això fa que aquestes es reaccions químiques siguen processos a pressió constant (també anomenats isobàrics).

L'entalpia és la magnitud que ens dóna l'energia en forma de calor que un sistema intercanvia amb el seu entorn quan la pressió és contant. Es representa amb la lletra H i la seua unitat en el sistema internacional d'unitats és el Joule (J).

Condicions estàndard.

L'entalpia d'una determinada substància és una funció que varia amb la pressió i la temperatura. Per unificar es considera que s'agafen les condicions estàndard per poder fer càlculs. En aquestes condicions la pressió és de 1 atm i la temperatura de 25 ºC (298,15 K).

Per denotar que s'està mesurant l'entalpia en les condicions estàndard s'utilitza H⁰ en lloc de H.

És important destacar que l'entalpia estàndard de formació d'un element pur és zero. Així per exemple l'entalpia estàndard de formació del H₂ o del O₂ és zero.

Entalpia de formació.

L'entalpia estàndard de formació és la variació d'entalpia quan es forma un mol de compost a partir dels seus elements en estat normal, açò és, en la seua forma més estable a la qual aquests element es troben en condicions estàndard.

Objectiu 9 química

Aquest objectiu és el següent:

Utilitzar la llei de Hess per a calcular la variació d’entalpia d’una reacció a partir de les equacions termoquímiques i analitzar els resultats per a distingir entre reaccions endotèrmiques i exotèrmiques.

Això suposa.

- Tindre clar el concepte d'entalpia.
- Saber i entendre la Llei de Hess.
- Distingir les reaccions endotèrmiques de les exotèrmiques.
- Utilitzar la Llei de Hess per calcular la variació d'entalpia d'una reacció química.

Objectiu 8 de química

Per assolir aquest objectiu has de:

Utilitzar el primer principi de la termodinàmica per a relacionar la variació de l’energia interna en un procés termodinàmic amb la calor absorbida o despresa i el treball realitzat en el procés, utilitzant la unitat de calor en el SI i el seu equivalent mecànic.

Això significa que:

- Hi ha que entendre la primera llei de la termodinàmica. Entendre la seua expressió matemàtica i saber-la explicar en paraules. Per això hi ha que entendre bé que és la calor, el treball mecànic i l'energia interna.

- Fer exercicis matemàtics de la primera llei de la termodinàmica per entendre el criteri de signes que proposa la IUPAC.

- Conéixer les unitats de treball, calor i energia interna en el sistema internacional d'unitat.