Fisicoquímica A

1. Fisicoquímica A Primer cuatrimestre – 2008 Universidad Nacional de Quilmes

2. ¿Qué estudia la Fisicoquímica? • La física es la ciencia que se estudia los fenómenos naturales, tratando de encontrar las leyes básicas que los rigen. • La química es la ciencia que estudia las propiedades de la materia y sus transformaciones. • La fisicoquímica estudia los temas de la química (las propiedades de la materia y sus transformaciones), usando las leyes de la física.

3. Contenidos del curso • Módulo I: Termodinámica • Primer principio: energía interna, entalpía. • Segundo principio: entropía, energía libre. • Módulo II: Equilibrio • Equilibrio físico o de fases. • Equilibrio químico o reactivo. • Módulo III: Cinética • Cinética química. • Cinética enzimática.

4. Modalidad de cursada • Clases teóricas – no obligatorias – los días viernes. • Clases de seminario – no obligatorias – los días miércoles que no hay laboratorio. • Sólo son obligatorias cuando se dá la explicación previa a un laboratorio. • Clases de laboratorio – obligatorias – los días miércoles.

5. Evaluación • Un parcial escrito por módulo temático. • Cada parcial tiene una única instancia de recuperación al final de la cursada. • Como máximo se pueden rendir dos parciales en instancia de recuperación. • Un examen integrador final. • Aprobación de los informes de los trabajos de laboratorio.

6. Sobre los laboratorios • Son obligatorios. • La clase previa de explicación es obligatoria. • Cada alumno deberá confeccionar un informe sobre el TP (individual). • El informe se podrá entregar hasta 10 días después de realizado el laboratorio. • No se pueden entregar los informes por correo electrónico. • El incumplimiento en la entrega a término de cualquiera de los informes hará que el alumno pase como “pendiente de aprobación” (siempre que haya aprobado las evaluaciones correspondientes).

7. Calificación

8. Información • Para comunicarse con los docentes: • juliana@unq.edu.ar (dudas sobre seminarios/teoría). • niburga@unq.edu.ar (dudas sobre laboratorios/informes). • Falta confirmar un instructor. • Página de la materia: http://ufq.unq.edu.ar. • Filminas de las clases. • Seminarios. • Cronograma actualizado. • Programa. • Guías de TPs (con plantillas para informes). • Notas y avisos. • Carteles en la puerta de la ex aula 33: • Notas y avisos.

9. Introducción • “A theory is more impressive the greater is the simplicity of its premises, the more different are the things it relates, and the more extended its range of applicability. Therefore, the deep impression which classical thermodynamics made on me. It is the only physical theory of universal content of which I am convinced, that will never be overthrown.” A. Einstein.

10. Termodinámica • Es la ciencia que estudia la transferencia de energía entre sistemas y sus consecuencias. • Está basada en dos principios que son anteriores al establecimiento de la teoría atómica y molecular de la materia. • Primera ley: Mayer (1842) -Joule (1847) . • Segunda ley: Claussius (1850) -Kelvin (1851).

11. Microscópica Especifica el estado de c/u de las partículas de un sistema y sus interacciones. Macroscópica Especifica el valor de parámetros experimentalmente accesibles tales como T, P o V. Descripciones en termodinámica Estadística

12. Sistemas termodinámicos Paredes Q, W, m Sistema Entorno Universo

13. Diatérmicas: dejan transferir calor. Móviles: permiten intercambiar trabajo de exp-comp. Permeables: permiten intercambiar materia. Adiabáticas: Q=0.Sistema térmicamente aislado. Fijas: W=0. Sistema mecánicamente aislado. Impermeables: Dm=0. Sistema materialmente aislado. Paredes

14. Abierto Cerrado Permeable Impermeable Clasificación sistemas Aislado Impermeable Adiabática Fija Pueden intercambiar Calor y trabajo Lo que ocurre con el sistema no se transmite al entorno

15. Procesos y estados • Variables macroscópicas, caracterizan el estado de un sistema. Ej: T, P, etc. • ¿Cuándo creemos que hay equilibrio? • Diferenciar estado de equilibrio y estado estacionario. • Proceso: pasaje de un estado de equilibrio a otro • Camino: sucesión de estados que ocurren durante un proceso. camino 1 Estado de equilibrio 1 Estado de equilibrio 2 camino 2

16. P V Proceso irreversible Vi,Pi Vi,Pi No puedo caracterizar el estado del sistema durante la transformación. Las variables macroscópicas no tienen valores definidos. No se pueden representar gráficamente.

17. La presión sobre el émbolo se incrementa muy lentamente. En cada momento la P externa difiere en dP de la interna. El proceso es cuasi-estático. P V Proceso reversible Vi,Pi Vi,Pi El sistema pasa por una sucesión de estados de equilibrio. En todo momento las funciones de estado tiene valores definidos.

18. En general • Procesos irreversibles: existe desequilibrio dentro del sistema o hay desequilibrio entre sistema y entorno. • Procesos reversibles: existe equilibrio interno en el sistema y el desequilibrio entre sistema y entorno es mínimo. El sentido del proceso puede ser revertido cambiando infinitesimalmente las condiciones del entorno. • En la práctica: durante los procesos reversibles las funciones de estado siguen teniendo valores definidos y siguen siendo válidas las ecuaciones de estado.

19. Otras clasificaciones para los procesos • Isotérmico: T=cte durante toda la transformación. • Isobárico: P=cte durante toda la transformación. • Isocórico: V=cte durante toda la transformación. • Adiabático: Q=0. • Y hay más: isoentrópico, isoentálpico, etc.

20. Q Text T Isotérmicos vs adiabáticos Isotérmicos Adiabáticos Text Q=0 T T=Text Paredes diatérmicas fijas o móviles Paredes adiabáticas fijas o móviles

21. Isobáricos vs isocóricos Isocóricos Isobaricos WPV=0 W Pext Pext P P P=Pext Paredes móviles diatérmicas o adiabáticas Paredes fijasdiatérmicas o adiabáticas

22. Trabajo • Trabajo: • Expansión/compresión  wPV PdV • Eléctrico  welecdq. Df • Superficial  wsupg.dA • Otros.

23. Trabajo PV

24. Ojo con la integral de W • Es una integral de línea • Para resolverla tenemos que expresar a Pext como función de V • 1) Pext diferente de P =cte • 2) Pext=P=cte • 3) Pext=P=variable (ej: expansión, compresión isotérmica)

25. P P P V V V Representación gráfica Pinicial 1) Pext=cte Pext =P=P(V) 3) P = Pext=cte 2) ¿Cómo realizo c/u de estos procesos?

26. Calor dq = CdT dqV = CVdT Q W=0 dqP = CPdT T2 T1 T2 > T1

27. Capacidad calorífica • Es extensiva. • Depende de cómo se entregue calor. • No está definida para procesos isotérmicos. • Depende de la sustancia. • Depende del estado de agregación. • En general depende de T

28. Convención de signos

29. Funciones de estado I

30. El estado del sistema se caracteriza por los valores de ciertas variables (func de estado). ¿Cuántas funciones de estado existen? ¿Cuántas deben especificarse para indicar el estado del sistema? Propiedades extensivas Proporcionales a la cantidad de materia.Ej: m, n, V. Propiedades intensivas Independientes de la cantidad de materia.Ej: r, T, [X]. Funciones de estado

31. Cambios en las funciones de estado • Estado inicial: Ti, Vi, Pi, ri, etc. • Estado final: Tf, Vf, Pf, rf, etc. • Cambios al ir desde el estado inicial al final:DT= Tf-TiDV= Vf-ViDP= Pf-PiDr= rf-rietc. • El cambio de altura no depende del camino: A es una “función de estado”. • La distancia recorrida depende del camino. D no es una “función de estado”

32. Primer principio Existe una función de estado, E, tal que DE = Q + W Q1, W1 Q2, W2 A B Porque … Q3, W3

33. W y Q son formas de transferir E

34. Proceso cíclico • Es un proceso que empieza y termina en el mismo estado del sistema • Q1+W1+Q2+W2 • =Qtotal+Wtotal • =DE • =0 porque E es función de estado… • y el sistema empieza y termina en el mismo estado. Q1, W1 B A Q2, W2

35. V=cte Q1,W1 E2,T2,P2,V E1,T1,P1,V V≠cte Q2,W2 Transformación a V constante En ausencia de W* DE = E2-E1 DE = Q1 DE no es igual a Q2

36. P=cte Q1,W1 E2,T2,P,V2 E1,T1,P,V1 P≠cte Q2,W2 Transformación a P constante DH = H2-H1 DH = Q1 DH no es igual a Q2 En ausencia de W*

37. Gas ideal • Ecuación de estado PV=nRT. • Las partículas del gas no interactúan entre si. • Las partículas sólo tienen energía de movimiento E=S1/2mv2. • A mayor temperatura mayor energía de movimiento promedio.

38. Entalpía de un gas ideal • Imaginamos un cambio de estado arbitrario entre dos estados de igual temperatura T, H2, P2, V2, E2 T, H1, P1, V1, E1

39. Gases reales

40. short-distance repulsion U(r) r long-distance attraction Gas de Van der Waals • Las fuerzas atractivas hacen que las colisiones con las paredes ocurran a velocidades menores. • Las fuerzas repulsivas hacen que no todo el volumen del recipiente esté disponible.

41. Gas de van der Waals II

42. Isotermas de van der waals

43. Capacidad calorífica II ¿CP y CV son funciones de estado? Si V=cte Si P=cte

44. Procesos de gases ideales • Compresión-expansión reversible a P=cte P B A Pini Isoterma 1 Isoterma 2 V2 V1 V ¿T aumenta o disminuye?

45. Procesos en gases ideales II • Cambio de presión a V=cte P P1 A Isoterma 1 p2 B Isoterma 2 Vini V Comparar con los valores anteriores.

46. Procesos en gases ideales III • Compresión-expansión reversible a T=cte P P1 A B P2 Isoterma V1 V2 V

47. Procesos en gases ideales IV • Compresión-expansión adiabática P A P1 Isoterma 1 V2 Isoterma 2 B V1 V2 V ¿T aumenta o disminuye?

48. Cambios de fase reversibles • La temperatura y la presión se mantienen constantes. DHebu = 6 Kj/mol DHvap = 40.65 Kj/mol

49. Termoquímica • Los reactivos y productos de una reacción química tienen distinta entalpía y energía interna. • Por lo tanto las reacciones químicas van acompañadas de cambios de energía interna y de entalpía. • A T=constante estos cambios se manifiestan como calor absorbido o cedido por el sistema. • La termoquímica estudia el calor puesto en juego en las reacciones químicas.

50. Definiciones