Cuestionario de Fisicoquímica

Fisicoquímica I

• Fisicoquímica I se ofrece en la carrera de Ingeniería Química con la clave QUM - 0512.
• El curso tiene 3 horas de teoría, 2 horas de práctica y otorga 8 créditos.

Asignaturas Anteriores

• Termodinámica: Cubre conceptos básicos, propiedades termodinámicas, gases ideales y reales, la primera y segunda ley de la termodinámica, termofísica y termoquímica.
• Matemáticas I: Incluye derivadas.
• Matemáticas II: Abarca cálculo integral.
• Matemáticas III: Funciones de varias variables, derivadas parciales y ecuaciones diferenciales exactas.
• Análisis de datos experimentales I: Se requiere un análisis de regresión (lineal, no lineal y polinomial).
• Métodos numéricos: Se precisa la solución de ecuaciones algebraicas de una variable.

Temario

• Unidad 1: Fundamentos y conceptos teóricos.
  • Propiedades termodinámicas de componentes puros, relaciones de Maxwell y cálculo de propiedades.
  • Regla de las fases de Gibbs, diagramas de fase y ecuaciones de estado.
  • Propiedades termodinámicas en sistemas abiertos o cerrados con una o dos fases.
  • Evaluación de propiedades mediante correlaciones empíricas (ecuaciones de Clapeyron, Antoine, Wagner).
  • Cambios de propiedad en la zona de cambio de fase y ecuaciones para el cálculo del calor de cambio de fase.
• Unidad 2: Propiedades fisicoquímicas de los sistemas.
  • Soluciones y tipos de soluciones.
  • Propiedades termodinámicas de soluciones.
  • Potencial químico.
  • Propiedades parciales molares.
  • Fugacidad y coeficientes de fugacidad de sustancias puras y soluciones.
  • Actividad y coeficiente de actividad.
  • Relación de la actividad y del coeficiente de actividad con la energía Libre de Gibbs de exceso.
  • Modelos de solución (Margules, Van Laar, Wilson, NRTL, UNIQUAC, UNIFAC).
  • Evaluación de propiedades termodinámicas de soluciones mediante ecuaciones de estado.
• Unidad 3: Equilibrio físico.
  • Equilibrio líquido-vapor, incluyendo conceptos y criterios, la ley de Raoult, la ley de Henry y modelos de solución.
  • Equilibrio líquido-líquido: diagramas triangulares de Gibbs y rectangulares, líneas de unión y curva de inmiscibilidad.
  • Equilibrio líquido-gas: modelos ideales, ley de Raoult y ley de Henry.
  • Equilibrio líquido-sólido: gráficas y diagramas de T-X.
• Unidad 4: Propiedades coligativas.
  • Introducción a las propiedades coligativas.
  • Disminución de la presión de vapor del solvente.
  • Disminución del punto de congelación.
  • Aumento en la temperatura de ebullición de la solución.
  • Presión osmótica.
  • Efecto de salting-in y salting-out en el equilibrio líquido-vapor por la adición de una sal a una solución binaria.

Evaluación

• Cada unidad implica un examen escrito, con un valor del 60% de la calificación.
• Se asigna al menos una tarea por unidad, representando el 30% de la nota.
• La asistencia completa a clases suma un 10% a la calificación final.
• Se penaliza con -5% por dos faltas no justificadas, y dos retardos equivalen a una falta.

Fisicoquímica

• La fisicoquímica busca predecir y explicar las causas de sucesos químicos mediante modelos.
• La termodinámica estudia las interacciones en equilibrio y la energía en cambios y equilibrio químicos.
• La cinética analiza las velocidades de las reacciones y los procesos moleculares.
• La mecánica estadística relaciona propiedades microscópicas y macroscópicas para explicar el comportamiento químico.
• La mecánica cuántica analiza la mecánica en átomos y moléculas.

Definiciones Importantes

• Un sistema es una parte específica del universo bajo estudio.
• El entorno es el resto del universo externo al sistema.
• Un sistema abierto intercambia masa y energía con su entorno.
• Un sistema cerrado permite la transferencia de energía, pero no de masa.
• Un sistema aislado no permite la transferencia ni de masa ni de energía.

Energía y Trabajo

• La energía es la capacidad para realizar trabajo.
• El trabajo se define como fuerza por distancia y puede ser producido por diferentes formas de energía.
• Un proceso exotérmico libera calor al entorno.
• Un proceso endotérmico requiere que el entorno suministre calor al sistema.
• La entalpía (H) representa el calor liberado o absorbido en un proceso a presión constante.
• El cambio de entalpía (ΔH) es la diferencia entre las entalpías de productos y reactivos.
  • ΔH es positivo para procesos endotérmicos.
  • ΔH es negativo para procesos exotérmicos.
• La termodinámica define el universo como la suma del sistema y el medio que lo rodea.
• El límite es la superficie que define la extensión del sistema.
• El trabajo es una propiedad termodinámica; se realiza cuando un cuerpo se mueve contra una fuerza opuesta.
• El movimiento ordenado del pistón implica la utilización del movimiento molecular caótico.
• En la expansión de un gas, los choques elásticos contra las paredes del cilindro no implican pérdida de energía cinética, mientras que los choques contra el pistón se descomponen en dos vectores que contribuyen al trabajo.

Estado de un Sistema

• El estado de un sistema se define por los valores de sus propiedades macroscópicas (composición, energía, temperatura, presión y volumen).
• Las funciones de estado dependen del estado del sistema en el que se encuentra.
• La magnitud de las funciones de estado depende solo del estado inicial y final del sistema, no de cómo se llevó a cabo el cambio.

Leyes de la Termodinámica

• Ley cero: Dos sistemas en equilibrio térmico con un tercero están en equilibrio térmico entre sí.
• Primera ley: La energía se conserva.
• La energía puede ser convertida, pero no creada ni destruida.
• dU = δq + δw, donde d indica una diferencial exacta y δ una diferencial inexacta.
• q y w no son funciones de estado, pero U sí.
  • q es positivo para procesos endotérmicos y negativo para exotérmicos.
  • w es positivo para trabajo hecho por los alrededores sobre el sistema y negativo para trabajo hecho por el sistema sobre los alrededores.
• La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma y conserva (1840).
• La masa no se crea ni se destruye, solo se transforma y conserva (1780).
• La interconversión demostrada de masa y energía lleva a la ley de conservación de la masa y la energía.

Entalpía y Entropía

• La entalpía (ΔH) es el calor de una reacción a presión constante.
• ΔU = qp + w
• Se usa para describir la espontaneidad de un proceso.
• La entropía mide el desorden de un sistema.
• La entropía describe cómo se distribuyen los átomos y las moléculas en el espacio.
• Mayor desorden implica mayor entropía.
• Es posible determinar la entropía absoluta de una sustancia, pero no su energía o entalpía.
• Los valores de entropía se registran a 1 atm y 25 °C y se denominan entropías estándar (S°).
• Las entropías de elementos y compuestos son positivas, mientras que la entalpía estándar de formación es cero para elementos en su forma más estable, y puede ser positiva o negativa para compuestos.
• La entropía se mide en J/K o J/Kmol.
• Para cualquier sustancia, la entropía siempre aumenta al pasar de sólido a líquido y de líquido a gas.

Segunda y Tercera Ley de la Termodinámica

• La entropía del universo aumenta en procesos espontáneos y se mantiene constante en equilibrio.
• En procesos exotérmicos, se transfiere calor al entorno, incrementando el desorden y la entropía.
• En procesos a presión constante:
  • ΔSent = -ΔHsist/T
• Tercera ley: La entropía de una sustancia cristalina perfecta es cero a 0 K.

Criterio de Reacción Espontánea

• Se considera una reacción como espontánea si ΔG < 0.
• Si ΔG > 0, la reacción no es espontánea en la dirección indicada.
• Si ΔG = 0, el sistema está en equilibrio sin cambios netos.

Ecuaciones Termodinámicas

• Capacidad calorífica a volumen constante: Cv = (∂U/∂T)V​
• Capacidad calorífica a presión constante: Cp = (∂H/∂T)P​
• En ausencia de trabajo: dU = δq (a volumen constante).
• Para procesos a presión constante: H = q​.
• dH = Cp dT y dU = Cv dT.
• La capacidad calorífica puede ser independiente de la temperatura.

Ecuaciones de Gibbs

• dU = TdS - PdV
• • dH = TdS + V dP
• • dA = -S dT - PdV
• dG = -S dT + V dP

Ecuaciones Fundamentales de la Termodinámica

• dU=TdS -PdV and U = U(S,V)
• dH =TdS + V dP and H = H(S,P)
• dA=-S dT-P dV and A = A(T,V)
• dG=-S dT +V dP and G = G(T, P)

Ecuaciones Maxwell

• Estas se obtienen a partir de las cuatro funciones termodinámicas de estado.
• Estas relaciones vinculan las derivadas parciales de variables termodinámicas.

Otros coeficientes

α Coeficiente de expansión térmica β Coeficiente de compresibilidad isotérmica α Coeficiente de Joule-Thomson

Este cuestionario explora los principios de la fisicoquímica, incluyendo sistemas termodinámicos, entalpía, y cinética química. Evalúa la comprensión de conceptos clave y su aplicación en diversos procesos y sistemas. Ideal para estudiantes y profesionales.