Termodinámica: Equivalente Mecánico del Calor, Principios y Entalpía
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Equivalente Mecánico del Calor y Experimento de Joule
Joule realizó un experimento crucial para entender la relación entre trabajo y calor. En un recipiente con una masa de agua M, introdujo una barra con paletas. Esta barra estaba conectada a un cilindro con un hilo enrollado, que a su vez pasaba por poleas y sostenía dos bloques de masa m a una altura h. Al dejar caer los bloques, estos hacían girar el cilindro y las paletas, aumentando la temperatura del agua por rozamiento.
El trabajo realizado por las masas es: W = 2mgh.
El calor absorbido por el agua es: Q = CeM (Tf - Ti), donde Ce es el calor específico del agua, Tf es la temperatura final y Ti la temperatura inicial.
Joule determinó que 4.18 J de trabajo producían la absorción de 1 caloría por parte del agua.
Primer Principio de la Termodinámica
El primer principio establece que la variación de energía interna de un sistema (ΔU = U2 - U1) en un proceso que va de un estado 1 a un estado 2, viene dada por: ΔU = Q + W, donde Q es el calor intercambiado y W el trabajo realizado por o sobre el sistema.
La energía interna es una función de estado, que solo depende de los estados inicial y final, no del camino.
Procesos a Presión Constante y Entalpía
Las transformaciones a presión constante se denominan procesos isobáricos. La entalpía (H) es una función de estado extensiva, útil para estos procesos.
Entalpía Normal de Formación y Reacción
La entalpía normal de formación de un compuesto es el calor intercambiado a presión constante (1 atmósfera) en la reacción donde se obtiene un mol del compuesto a partir de sus elementos.
La entalpía normal de reacción es el calor intercambiado a presión constante (1 atmósfera) durante una reacción química.
Ley de Hess y Ecuaciones Termoquímicas
La ley de Hess establece que la variación de entalpía de un proceso es la misma, independientemente del camino o número de etapas. Esto se debe a que la entalpía es una función de estado.
La ley de Hess permite tratar las ecuaciones termoquímicas como ecuaciones algebraicas:
- Al sumar ecuaciones termoquímicas, la variación de entalpía resultante es la suma de las variaciones individuales.
- Al multiplicar una ecuación termoquímica por un número n, la variación de entalpía se multiplica por n.
- La variación de entalpía de una reacción es igual, pero de signo opuesto, a la de la reacción inversa.
Segundo Principio de la Termodinámica
Existen varios enunciados equivalentes del segundo principio:
- No es posible construir un dispositivo que transforme íntegramente calor en trabajo mecánico de forma cíclica sin otro efecto.
- El calor no pasa espontáneamente de un cuerpo frío a uno caliente.
- No es posible construir un dispositivo que produzca trabajo absorbiendo calor de un solo manantial de temperatura.
Entropía y Procesos Reversibles e Irreversibles
Un proceso es un cambio experimentado por un sistema. Los procesos pueden ser reversibles o irreversibles.
- Un proceso reversible permite que tanto el sistema como su entorno recuperen sus estados iniciales sin cambios en el universo.
- Un proceso irreversible no cumple estos requisitos. Todos los procesos naturales son irreversibles.
La entropía (S) es una función de estado extensiva que mide el grado de desorden de un sistema.