BALANCE TÉRMICO Y ENTROPÍA Universidad de Córdoba - Facultad de Ingenierías - Programa de Ingeniería de Alimentos Fisicoquímica -Berástegui, Córdoba, Colombia. Docente: Ing. Químico Ramiro Torres Gallo Domínguez Yina, Llorente Jorge, Rincón Alexander, Sierra Fernando
RESUMEN La entropía es una propiedad termodinámica en la cual se basa la segunda ley de la termodinámica, esta se puede calcular a través de datos experimentales obtenidos a partir del montaje en un calorímetro que contenga una mezcla de agua y néctar donde cada uno de los componentes de esta mezcla se encuentra a distintas temperaturas, para posteriormente obtener la temperatura de equilibrio a la cual se encuentra el sistema, previo a esto es necesaria la calibración del calorímetro para la adquisición de resultados confiables. Palabras claves: Entropía, temperatura de equilibrio.
ABSTRACT Entropy is a thermodynamic property which is based on the second law of thermodynamics, this can be calculated through the experimental data obtained from the assembly in a calorimeter containing a mixture of water and nectar where each of the components this mixture is at different temperatures, and subsequently obtain the equilibrium temperature at which the system is located, ie prior to the calorimeter calibration required for the acquisition of reliable results. Keywords: Entropy, temperature balance. OBJETIVOS
Comprender el concepto de entropía.
Relacionar ciertas leyes termodinámicas con sistemas reales.
Determinar la variación de entropía en un proceso reversible. 1
INTRODUCCIÓN La primera ley permite establecer una relación entre el calor y el trabajo y definir una importante propiedad termodinámica como es la energía. La determinación de los cambios de energía en procesos que ocurren en sistemas cerrados será objeto de estudio en este artículo. El balance energético en todos los procesos químicos, biológicos, ambientales o industriales se fundamenta en la primera ley de la termodinámica. La primera ley de la termodinámica da una definición precisa del calor, otro concepto de uso corriente. Cuando un sistema se pone en contacto con otro más frío que él, tiene lugar un proceso de igualación de las temperaturas de ambos. Para explicar este fenómeno, los científicos del siglo XVIII conjeturaron que una sustancia que estaba presente en mayor cantidad en el cuerpo de mayor temperatura fluía hacia el cuerpo de menor temperatura. Según se creía, esta sustancia hipotética llamada “calórico” era un fluido capaz de atravesar los medios materiales. Por el contrario, el primer principio de la termodinámica identifica el calor, como una forma de energía. Se puede convertir en trabajo mecánico y almacenarse, pero no es una sustancia material. Experimentalmente se demostró que el calor y el trabajo o energía, medidos en julios, eran completamente equivalentes. El primer principio es una ley de conservación de la energía. Afirma que, como la energía no puede crearse ni destruirse la cantidad de energía transferida a un sistema en forma de calor más la cantidad de energía transferida en forma de trabajo sobre el sistema debe ser igual al aumento de la energía interna del sistema. El calor y el trabajo son mecanismos por los que los sistemas intercambian energía entre sí. Otro concepto que clave es la entalpia que se define como la cantidad de energía que un sistema termodinámico puede intercambiar con su entorno. Por ejemplo, en una reacción química a presión constante, el cambio de entalpía del sistema es el calor absorbido o desprendido en la reacción. En un simple cambio de temperatura, el cambio de entalpía por cada grado de variación corresponde a la capacidad calorífica del sistema a presión constante. FUNDAMENTO TEÓRICO Atendiendo a la ley cero de la termodinámica si se ponen en contacto dos cuerpos con distinta temperatura, se anticipa que eventualmente el cuerpo caliente se enfriará, y el cuerpo frío se calentará, hasta llegar a un equilibrio térmico, como se nota en la figura 1.
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Para este caso la condición de balance térmico exige que el calor perdido por uno de los cuerpos debe ser igual al calor ganado por el otro así: (1) La primera ley de la termodinámica permite relacionar este intercambio de calor en función de entalpía (H) donde la variación de ésta permite expresar la cantidad de calor cedido o recibido durante una transformación isobárica en un sistema termodinámico, transformación en el curso de la cual se puede recibir o aportar energía. Es en tal sentido que la entalpía es numéricamente igual al calor intercambiado entre los sistema en cuestión. (2) Puesto que la variación de entalpía se relaciona con el cambio de temperatura, (3), Reemplazando (3) en (2), tenemos: (4) Los cuerpos en cuestión poseen masa, en tanto: (5) En termodinámica, la entropía (simbolizada
como S) es una magnitud física que permite,
mediante cálculo, determinar la parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo. Es una función de estado de carácter extensivo y su valor, en un sistema aislado, crece en el transcurso de un proceso que se dé de forma natural. Mirado desde otro punto de vista, y para una comprensión y aplicación más general del concepto, la entropía se entiende como el grado de desorden de un sistema, 3
Este desorden se grafica en la mayor o menor producción de energía disponible o no disponible, y sobre esta base, también podemos definir la entropía como el índice de la cantidad de energía no disponible en un sistema termodinámico dado en un momento de su evolución. Como podemos apreciar, la entropía es el elemento esencial que aporta la termodinámica, ciencia de los procesos irreversibles, es decir orientados en el tiempo.
La segunda ley de la termodinámica. Se puede enunciar de muchas formas, pero una sencilla y precisa es la siguiente: “La evolución espontánea de un sistema aislado se traduce siempre en un aumento de su entropía.” Por tanto esta ley se basa en el término de entropía el cual fue introducido por el físico alemán Rudolf J. E. Clausius en 1850 para representar el grado de uniformidad con el que está distribuida la energía, sea ésta del tipo que sea. Se aplican las relaciones de eficiencia (ecuación de Nernst), conceptos de Rudolf J. y E. Clausius para obtener una expresión del tipo:
La cual se puede expresar en función de ∆H, para un proceso a presión constante, asi:
Esta ecuación tiene aplicación para transiciones de fase como la fusión, sublimación y vaporización, sin embargo para un sistema donde la temperatura del sistema se modifica es conveniente hallar una expresión más adecuada para ∆S. 4
Usando la relación
= m Cp ∆T, resulta: ∫
∫
Integrando la expresión: ∫
∫
(6)
La variación de la entropía de sustancias en interacción es: (7) Para calcular el cambio de entropía. MATERIALES Y REACTIVOS
Calorímetro Balanza analítica Agitador Termómetro Beacker Estufa Probeta Néctar Agua destilada PROCEDIMIENTO Seguir los siguientes procesos secuenciales Calibrar el calorímetro adicionando en un beacker 100mL de agua destilada, incorporar al calorímetro y posteriormente medir la temperatura de esta. Calentar en estufa 100mL de agua destilada, tomar su temperatura y a continuación verterlos en el beacker que se encuentra dentro del calorímetro. 5
Medir la temperatura cada 30 segundos hasta que se equilibre. Pesar 100g de agua destilada, medir la temperatura inicial de esta. Adicionar en el calorímetro. Pesar los gramos correspondientes de néctar. Calentar el néctar moderadamente hasta que esta alcance los 80ºC. Verter el néctar sobre el agua que se encuentra en el calorímetro. Agitar continuamente y realizar lecturas de temperatura cada 30 segundos hasta que esta sea constante. CALCULOS 1. Temperatura de equilibrio (
)
(
) ( )
2. Entropía del néctar ( ) 3. Entropía del agua ( ) 4. Entropía total ( )
DATOS Temp. del agua Temp. del néctar Temp. de equilibrio
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CUESTIONARIO 1. Con el calor especifico del néctar y el agua calcule la entropía de ambas sustancias y la total del sistema. 2. Calcule la temperatura de equilibrio y compárela con la obtenida experimentalmente, calcule el porcentaje de error entre estas, con la temperatura obtenida recalcule
S y calcule el
porcentaje de error las entropías. ¿A que se deben estas diferencias? 3. ¿Por qué no es posible calcular la entropía máxima de un sistema? 4. Consulte si existe un instrumento para medir la variación de entropía de un sistema e indique como funciona. 5. ¿Qué aplicaciones tiene la determinación de la entropía en la ingeniería de alimentos? ¿Existe algún método para calcularla rápidamente o instrumento para hacerlo?
BIBLIOGRAFIA
VAN NESS SMITH, Abbot. Introducción a la termodinámica en la ingeniería química. México. Mc Graw Hill, 1997.
s3.amazonaws.com/lcp/clasegeo/.../problemas-de-ENTROPIA.doc
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Cengel, y; Boles, M.A.(1996) termodinámica, Tomo I segunda edición. Mc Graw Hill interamericana de México, S.A. de México.
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