Termodinamica PDF

Preview

Summary

Este informe corresponde a la clase de biofísica....

Description

RECINTO UNIVERSITARIO RUBÉN DARÍO (RURD) Departamento: Ciencias Fisiológicas Guía didáctica: 4 – Termodinámica Docente: Dra. María Isabel Jirón Trabajo de: Biofísica Año y carrera: 1er año de Medicina Grupo: M615 (5)

Sub grupo: 1

Elaborado por: Abad Ramírez Wendy Elizabeth

Casco Galán Cristopher Robin

Alvarado José de Jesús

Castro González Kristhel Francheska

Anduray López Charlotte Dayanna

Cisneros Gaitán Carlos Antonio

Arrieta Romero Edwar Josué

Correa Games Yessenia de Los Ángeles

Avilés Torres Yacely Hiveth

Cubas Delgadillo Laurens José

Balladares González Helen Massiel.

Esquivel Montiel María Lucía

Benavides Martínez Brissa del Cielo.

García Aguirre Luis Ángel

Bermúdez Zeledón Richard David Bravo Martínez Pahola Elizabeth

Managua, 3 de mayo del 2020

INTRODUCCIÓN La Termodinámica es el estudio de las propiedades de sistemas de gran escala en equilibrio en las que la temperatura es una variable importante. Varios términos que hemos usado aquí: sistemas, equilibrio y temperatura serán definidos rigurosamente más adelante, pero mientras tanto bastará con su significado habitual. En la Termodinámica hay dos leyes básicas, y ambas se pueden enunciar de modo de negar la posibilidad de ciertos procesos. La Primera Ley establece que es imposible un proceso cíclico en el cual una máquina produzca trabajo sin que tenga lugar otro efecto externo, es decir niega la posibilidad de lo que se suele llamar “máquina de movimiento perpetuo de primera especie”. La Segunda Ley no se puede enunciar de modo tan preciso como la primera sin una discusión previa. Sin embargo, hecha la salvedad que ciertas definiciones se deben dar todavía, podemos decir que la Segunda Ley establece que es imposible un proceso cíclico en el cual una máquina realice trabajo intercambiando calor con una única fuente térmica. Una tal máquina (inexistente) sería una “máquina de movimiento perpetuo de segunda especie”. Por ahora ninguna de estas formulaciones tiene una forma útil, y las trataremos en detalle solamente después de haber presentado las definiciones rigurosas de los conceptos necesarios. Un problema típico entre aquellos que se tratan en Termodinámica consiste en calcular un conjunto de propiedades de un sistema a partir de otro conjunto de propiedades, y como consecuencia de la imposibilidad de los procesos de movimiento perpetuo que acabamos de mencionar. Muy raramente se resuelven estos problemas mediante el método (directo pero engorroso) de construir mentalmente hipotéticas máquinas de movimiento perpetuo. En cambio se suelen usar procedimientos matemáticos abstractos que se obtienen de una vez por todas y luego se utilizan para resolver los problemas. Estos procedimientos indirectos son muy eficientes, pero no hay que olvidar que su fundamento reside en las dos leyes básicas. La Termodinámica se ocupa de estudiar procesos y propiedades macroscópicas de la materia y no contiene ninguna teoría de la materia. Por lo tanto no nos dice nada acerca de la estructura de la materia. Como las variables con la cuales se trabaja son siempre macroscópicas, no es posible obtener de la Termodinámica la información de escala microscópica acerca del sistema, ya sea en lo referente a su estructura como a sus procesos internos. Si bien ésta es una limitación, en compensación significa que la Termodinámica tiene gran generalidad. El hecho de evitar deliberadamente toda referencia a la estructura de la materia confiere a la Termodinámica clásica una austeridad que a primera vista puede parecer poco agradable. Pero este enfoque tiene la virtud de poner en evidencia precisamente aquellas partes de una teoría física que no dependen de teorías particulares de la materia. Por esto la Termodinámica tiene un aspecto muy práctico, puesto que se la puede aplicar con toda confianza a sistema que son demasiados complicados para ser analizados mediante otras teorías. Cuando estudiemos la Termodinámica Estadística mostraremos como se pueden relacionar las propiedades a escala microscópica del sistema con propiedades macroscópicas que estudia la Termodinámica clásica.

1. ¿Qué es la temperatura? Es una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico, definida por el principio cero de la termodinámica. Más específicamente, está relacionada directamente con la parte de la energía interna conocida como «energía cinética», que es la energía asociada a los movimientos de las partículas del sistema, sea en un sentido traslacional, rotacional, o en forma de vibraciones. A medida de que sea mayor la energía cinética de un sistema, se observa que éste se encuentra más «caliente»; es decir, que su temperatura es mayor. 2. ¿Cuáles son las escalas de temperatura que conoce? Existen tres escalas que comúnmente sirven para medir la temperatura, resaltando la escala de Celsius y de Fahrenheit como las más comunes. La escala de kelvin es primordialmente usada en expertos científicos. Escala Celsius La escala Celsius fue inventada en 1792 por el astrónomo Andrés Celsius. Esta escala divide el rango entre la temperatura de congelación y la de ebullición del agua en 100 partes iguales. Usted encontrara a veces esa escala identificada como escala centígrada. La temperatura en la escala Celsius son conocidas como grados Celsius (°C). Escala Fahrenheit La escala Fahrenheit fue establecida por el físico holandés alemán Daniel Fahrenheit, en 1724. Aun muchos países están usando ya la escala Celsius, la escala Fahrenheit es ampliamente usada en los estados unidos. Esta escala divide la diferencia entre los puntos de fusión y ebullición del agua en 180 intervalos iguales. La temperatura en la escala Fahrenheit son conocidas como grados Fahrenheit (°F). Escala de kelvin La escala de kelvin lleva el nombre de William Thompson kelvin, fue un físico británico que diseño en 1848. Prolonga la escala de Celsius hasta el cero absoluto, una temperatura hipotética caracterizada por una ausencia completa de energía calórica. Las temperaturas en esta escala son llamadas kelvin (K).

3. ¿Describa en que consiste la teoría cinética? La teoría cinética de gases es el estudio de comportamiento microscopio de las moléculas y sus interacciones, que nos llevan a fórmulas macroscópicas como la ley de gas ideal. El estudio de las moléculas de un gas, es un buen ejemplo de una situación física en que los métodos estadísticos proporcionan resultados precisos y confiables para las manifestaciones macroscópicas de los fenómenos microscópicos. Por ejemplo los cambios de la presión, volumen y temperatura de la ley del gas. Por lo ideal son muy precisos. El promedio de energía asociada con el movimiento molecular tiene su fundamento de distribución de Boltzmann, una función de distribución estadística. Sin embargo, la temperatura y la energía de un gas se pueden medir con precisión. 4. Explique las formas de transferir el calor. Conducción: la conducción es el transporte de calor a través de una sustancia y tiene lugar cuando se ponen en contacto dos objetos a diferentes temperaturas. El calor fluye desde el objeto que está a mayor temperatura hasta que los objetos alcanzan a la misma temperatura (equilibrio térmico). Convección: la convención tiene lugar cuando aéreas de fluido caliente (de menor densidad) ascienden hacia las regiones de fluido frio. Cuando ocurre esto, el fluido frio (de mayor densidad) desciende y ocupa el lugar del fluido caliente que ascendió. Este ciclo da lugar a una continua circulación (corrientes convectivas) del calor hacia las regiones frías. Radiación: la reacción es un método de transferencia de calor que no precisa de contacto entre la fuente de calor y receptor no se produce ningún intercambio de masa y no se necesita ningún medio material para que se transmita. Evaporación: Para evaporarse y cambiar así de estado líquido a gas o a vapor un material tiene que absorber energía. Esta energía se absorbe en forma de calor, bien del mismo material o de un material adyacente, causando una disminución de temperatura.

Por ejemplo, cuando se calienta un spray con vaporización de frio debido al calor de la piel del cuerpo, cambia de su estado líquido a vapor a su temperatura específica de evaporación. Durante este proceso, el spray absorbe calor enfriando así la piel. 5. Enuncie el primer principio de la termodinámica. ¿Cómo se aplica a la contracción muscular? Iones de calcio se unen a la troponina, estos son liberados por el retículo sarcoplastico que al unirse a la troponina ésta cambia de forma y provoca el desplazamiento de la tropomiosina dejando libre al sitio activo de la actina para que la cabeza de miosina se pueda unir a esta. Antes que nada, la cabeza de miosina debe ser activada antes de que el mecanismo paso a paso de la contracción empiece esto para cuando el ATP (Adenosin trifosfato) Se una a la cabeza de miosina produciéndose la hidrólisis de este ATP dejando ADP (Adenosin difosfato) y un fosfato inorgánico. La energía liberada de la hidrólisis del ATP activa la cabeza de Miosina entonces la cabeza ya activada se une a la actina, ya unida está libera el fosfato inorgánico produciendo que la unión sea más fuerte, Luego el ADP se libera llamándose el golpe de fuerza y la cabeza de miosina estando unida a la actina se desplaza desplazando el filamento de actina hacia la línea media. Luego de esto se une otro ATP a la cabeza de la miosina y la unión entre la cabeza de la miosina y la actina se debilita haciendo que se separen luego se repite el proceso, Se vuelve a activar la cabeza de miosina se produce la hidrólisis del ATP dejando al ADP y al fosfato inorgánico y la energía liberada reactiva la cabeza de miosina dando así con el enunciado de la termodinámica que en resumen dice: La energía total del universo se mantiene constante. No se crea ni se destruye, solo se transforma. La concentración de ATP en el músculo estriado varía muy poco, aunque se haya realizado un ejercicio intenso. Sin embargo, después del ejercicio disminuye la concentración de creatina fosfato.

6.

Enuncie el segundo principio de la termodinámica.

El principio de la termodinámica o también conocido como principio de conservación de la energía para la termodinámica establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien este intercambia calor con otro. La energía del sistema cambiara esta ley permite definir el calor como la energía necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencia entre trabajo y energía interna.

E(entrada)

E(sale)

=

Δ E (sistema)

Que aplica la termodinámica queda ΔU= Q+W 7. Para la expresión ΔG= ΔH – T ΔS, explique el significado de cada uno de los términos ¿Qué significa que son funciones de estado? Conceptualmente podemos definir ΔG como la fracción de variación total de energía que es capaz de efectuar trabajo a medida que el sistema tiende al equilibrio, a P yT constante. ΔG = ΔH -T ΔS (aT y P constantes) ΔG es la diferencia de energía libre. ΔH es la diferencia de entalpía. ΔS es la diferencia de entropía. T es la temperatura absoluta (en K). Funciones de estado: Es una magnitud física macroscópica que caracteriza el estado de un sistema en equilibrio, que no depende de la forma en que el sistema llego a dicho estado. Dado un sistema termodinámico en equilibrio puede escogerse un número finito de variables de estado, tal que sus valores determinan únicamente el estado del sistema. 8. Un proceso espontáneo que ocurre en un sistema con una disminución de entropía, causa un cambio en la entropía del entorno. ¿Qué es lo que se transfiere al entorno que causa el cambio en su entropía? La segunda ley de la termodinámica dicta que para cualquier proceso espontáneo el cambio de entropía del sistema debe ser mayor o igual a cero, sin embargo, una reacción química espontánea puede resultar en un cambio negativo en la entropía. Esto no contradice a la segunda ley, debido a que tal reacción debe tener un cambio negativo de entalpía (energía térmica) suficientemente grande que el incremento en la temperatura de los alrededores de la reacción resulta en un incremento suficientemente grande en la entropía, que el cambio global en la entropía es positivo. Esto significa que el cambio de entropía de los alrededores se incrementa lo suficiente debido al carácter exotérmico de la reacción que compensa el signo negativo en ΔS del sistema, y debido a que el cambio global de entropía

es igual al cambio de entropía de los alrededores más el cambio de entropía del sistema, (ΔSUniverso= ΔSalrededores + ΔSsistema), el cambio global en la entropía es aún positivo. Así, el entorno que es una fuente grande de calor a temperatura constante, puede variar su entropía en dependencia de cuanto calor absorba o desprenda el sistema del entorno o hacia el entorno. 9. ¿Cuál es la definición de variación de energía libre (ΔG) en términos de la entropía del universo? Analice la siguiente gráfica: La energía libre es un proceso solo sucederá de manera espontánea, sin añadir energía, si aumenta la entropía del universo como un todo (o, en el límite de un proceso reversible, lo deja sin cambios), esta es la Segunda ley de la termodinámica. Básicamente necesitamos algún tipo de medida que represente el efecto de una reacción en la entropía del universo y que incluya tanto al sistema de reacción como a su entorno. De manera conveniente, ambos factores se unen en un solo valor llamado energía libre de Gibbs. La energía libre de Gibbs (G) de un sistema es una medida de la cantidad de energía utilizable (energía que puede realizar un trabajo) en ese sistema. El cambio en la energía libre de Gibbs durante una reacción provee información útil acerca de la energía y espontaneidad de la reacción (si puede llevarse a cabo sin añadir energía). Una definición sencilla del cambio en la energía libre de Gibbs sería: ΔG=Gfinal–Ginicial En otras palabras, ΔG es el cambio en energía libre de un sistema que va de un estado inicial, como los reactivos, a un estado final, como todos los productos. Este valor nos indica la máxima energía utilizable liberada (o absorbida) al ir del estado inicial al estado final. Además, su signo (positivo o negativo) nos dice si una reacción ocurrirá espontáneamente, es decir, sin energía adicional. Cuando trabajamos con la energía libre de Gibbs, tenemos que hacer algunas suposiciones como temperatura y presión constantes, sin embargo, estas condiciones rara vez son ciertas para las células y otros sistemas vivos.

10. Analice la siguiente gráfica y describa la diferencia entre una reacción exergónica y una reacción endergónica:

Una reacción exergónica y una reacción endergónica Reacción exergónica Reacción Endergónica Se libera energía Se añade energía Reactivos juntos con un cierto nivel de Al principio se tienen moléculas con poca energía, para que se dé la reacción química energía y se tiene que dar energía para se tienen que romper las moléculas para dar, romper los enlaces y luego los reactivos se para ello se añade energía y la línea de juntan otra vez entre ellos formando energía disminuye. moléculas que tienen mucha más energía Al principio los reactivos tienen mucha almacenada que al principio, por lo tanto, energía y al avanzar el tiempo acaban dando han necesitado absorber energía del exterior como productos que tienen menos energía para llevar a cabo la reacción química. que al principio. Reacción exergónica es Reacción endergónica es aquella que aquella que ha liberado esta energía hacia el absorben energía y se quedan en productos exterior. finales con mucha más energía. Reacciones exergónicas y endergónicas Las reacciones que tienen un ∆G negativo liberan energía libre y son denominadas reacciones exergónicas. Un ∆G negativo significa que los reactivos o el estado inicial, tienen más energía libre que los productos o estado final. A las reacciones exergónicas también se les llama reacciones espontáneas porque pueden ocurrir sin la adición de energía. Las reacciones con un ∆G positivo (∆G > 0), por otro lado, requieren de un aporte de energía son denominadas reacciones endergónicas. En este caso, los productos o el estado final, tienen más energía libre que los reactivos o estado inicial. Las reacciones endergónicas no son espontáneas, lo que significa que debe añadirse energía antes de que puedan proceder. Puedes pensar que las reacciones endergónicas almacenan parte de la energía añadida en los productos de alta energía que sintetizan.

11. Para que un proceso sea espontáneo, ¿qué debe ocurrir con la entropía del universo? Un proceso espontáneo es, en termodinámica, la evolución en el tiempo de un sistema en el cual se libera energía libre, usualmente en forma de calor, hasta alcanzar un estado energético más estable. Así para que un proceso sea espontáneo debe aumentar la entropía en el universo y nunca puede ser menor que cero. 12. Para que un proceso sea espontáneo, ¿qué debe ocurrir con la variación de energía libre del sistema en el cuál ocurre el proceso? La segunda ley de la termodinámica dicta que para cualquier proceso espontáneo el cambio de entropía del sistema debe ser mayor o igual a cero, así una reacción química espontánea puede resultar en un cambio negativo en la entropía. Esto no contradice a la segunda ley, debido a que tal reacción debe tener un cambio negativo de entalpía (energía térmica) suficientemente grande que el incremento en la temperatura de los alrededores de la reacción resulta en un incremento suficientemente grande en la entropía, que el cambio global en la entropía es positivo. Esto significa que el cambio de entropía de los alrededores se incrementa lo suficiente debido al carácter exotérmico de la reacción que compensa el signo negativo en ΔS del sistema, y debido a que el cambio global de entropía es igual al cambio de entropía de los alrededores más el cambio de entropía del sistema, (ΔS = ΔSalrededores + ΔSsistema), el cambio global en la entropía es aún positivo. 13. ¿Una reacción exotérmica es siempre espontánea? R/. Podríamos pensar que una reacción exotérmica, que desprende calor al entorno, siempre será espontánea, dado que los sistemas tienden a un mínimo de energía, y en las reacciones exotérmicas los productos tienen menos energía que los reactivos (tal y como vemos en el diagrama). Es cierto que muchas reacciones espontáneas son exotérmicas y que la mayoría de reacciones exotérmicas son espontáneas; sin embargo, esto no es siempre así. Existen reacciones exotérmicas que no son espontáneas a ciertas temperaturas, y reacciones endotérmicas que sí lo son. Por tanto, el criterio energético, es decir, el signo de la variación de entalpía ΔH, no es suficiente por sí mismo para decidir si un proceso será o no espontáneo, ya que en verdad, si consideramos el conjunto sistema-entorno, la energía siempre se conserva. Por ello, para saber si un proceso es espontáneo se deben tener en cuanta dos factores: el valor absoluto y el signo de ΔH y TΔS, así una reacción exotérmica ( H 0 ) puede serlo si aumenta mucho la entropía. Por ejemplo, al masticar un chicle, el xilitol, componente del chicle se disuelve en la boca, para disolverse necesita energía (por eso la sensación de frescor) este proceso es endotérmico porque necesita energía, pero es espontaneo, en cuanto está en contacto con la boca se disuelve. Inversamente, se tiene una reacción y puede necesitar de calor para que se produzca y una vez que se transfiere toda la energía necesaria esta se produce liberando.

14. Según el siguiente cuadro analice y explique la Relación entre Entropía y Entalpía con las Leyes de la Termodinámica?

La entalpía y la entropía se relacionan a través de la temperatura, relación que queda reflejada en la siguiente ecuación: T · ΔS = ΔH, donde T es la temperatura absoluta, ΔH es el cambio en la entalpía y ΔS es el cambio en la entropía. Como se puede deducir de la ecuación, si se mantiene la temperatura constante, un aumento en la entalpía provoca un aumento en su entropía, y viceversa. La termodinámica de las reacciones químicas es un campo de la fí...