4. Sistema, alrededores y calor | 🔥 Termoquímica | Joseleg

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Al analizar los cambios de energía, debemos centrarnos en una parte limitada y bien definida del universo para realizar un seguimiento de los cambios de energía que ocurren. La porción que seleccionamos para estudio se llama sistema; todo lo demás se llama entorno. Cuando estudiamos el cambio de energía que acompaña a una reacción química en un laboratorio, los reactivos y productos constituyen el sistema. El contenedor y todo lo que está más allá se consideran los alrededores.

Figura 4‑1. Tipos de sistema por flujo de materia y energía.

Los sistemas pueden estar abiertos, cerrados o aislados. Un sistema abierto es aquel en el que la materia y la energía pueden intercambiarse con el entorno. Una olla descubierta de agua hirviendo en una estufa, es un sistema abierto: el calor entra al sistema desde la estufa y el agua se libera a los alrededores como vapor.

Los sistemas que podemos estudiar más fácilmente en termoquímica se denominan sistemas cerrados, sistemas que pueden intercambiar energía, pero no comparten materia con su entorno. Por ejemplo, considere una mezcla de gas hidrógeno, y gas oxígenoen un cilindro equipado con un pistón.

Figura 4‑2. Sistema cerrado, en este la energía puede fluir ya sea como calor o trabajo, pero la materia no puede salir o ingresar.

El sistema es solo el hidrógeno y el oxígeno; el cilindro, el pistón y todo lo que está más allá de ellos (incluidos nosotros) son los alrededores. Si los gases reaccionan para formar agua, se libera energía:

Aunque la forma química de los átomos de hidrógeno y oxígeno en el sistema cambia por esta reacción, el sistema no ha perdido ni ganado masa, lo que significa que no ha intercambiado ninguna materia con su entorno. Sin embargo, puede intercambiar energía con su entorno en forma de trabajo y calor al elevar el pistón o calentar su frontera.

Un sistema aislado es aquel en el que ni la energía ni la materia pueden intercambiarse con el entorno. Un termo aislado que contiene café caliente se aproxima a un sistema aislado. Sin embargo, sabemos que el café finalmente se enfría, por lo que no está perfectamente aislado.

La Figura 4‑3 ilustra las dos formas en que experimentamos cambios de energía en nuestra vida cotidiana: en forma de trabajo y en forma de calor. En la Figura 4‑3a, el trabajo se realiza a medida que la energía se transfiere del brazo del lanzador a la pelota, dirigiéndola hacia la placa a alta velocidad. En la Figura 4‑3b la energía se transfiere en forma de calor. Causar el movimiento de un objeto contra una fuerza y provocar un cambio de temperatura son las dos formas generales en que la energía puede transferirse dentro o fuera de un sistema.

Figura 4‑3. Trabajo y calor, dos formas de energía. (a) El trabajo es la energía utilizada para provocar un movimiento de objeto. (b) El calor es la energía utilizada para aumentar la temperatura de un objeto.

Definimos trabajo, W (mayúscula), como la energía transferida cuando una fuerza mueve un objeto. Una fuerza es cualquier empuje o atracción ejercida sobre un objeto. La magnitud del trabajo es igual al producto de la fuerza, F, y la distancia, Δx, el objeto se mueve:

Realizamos trabajo, por ejemplo, cuando levantamos un objeto contra la fuerza de la gravedad. Si definimos el objeto como el sistema, entonces nosotros, como parte del entorno, estamos realizando un trabajo en ese sistema, transfiriéndole energía.

La otra forma en que se transfiere la energía es como calor. El calor es la energía transferida de un objeto más caliente a uno más frío. Una reacción de combustión, como la quema de gas natural ilustrada en la Figura 4‑3b, libera la energía química almacenada en las moléculas del combustible. Si definimos las sustancias involucradas en la reacción como el sistema y todo lo demás como el entorno, encontramos que la energía liberada hace que la temperatura del sistema aumente. La energía en forma de calor se transfiere desde el sistema más caliente al más frío y nunca en sentido opuesto.