Page 822 - Quimica - Undécima Edición

QUÍMICA

en acción

La efi ciencia de las máquinas térmicas

n motor es una máquina que convierte la energía en traba- parte de la energía térmica que de otra forma podría convertirse
Ujo; una máquina térmica es aquella que convierte la ener- en trabajo, y como consecuencia limita la efi ciencia de las
gía térmica en trabajo. Las máquinas térmicas desempeñan una máquinas térmicas.
función esencial en nuestra sociedad tecnológica; la forma de La fi gura de la página 793 muestra los procesos de transfe-
éstas varía desde motores para automóviles hasta las gigantes- rencia de calor en una máquina térmica. En un inicio, cierta
cas turbinas de vapor que accionan generadores para producir
electricidad. Sin importar el tipo de máquina térmica, su nivel T 1 T 2 T 1
de efi ciencia es de gran importancia, es decir, con base en una
cantidad determinada de suministro de calor, ¿cuánto trabajo
útil se puede obtener de esa máquina? La segunda ley de la ter-
modinámica ayuda a responder esta interrogante.
La fi gura muestra una forma simple de una máquina térmi-
ca. Inicialmente, un cilindro ajustado con un pistón de peso
insignifi cante se encuentra a una temperatura T 1 . Luego, el cilin-
dro se calienta a una temperatura más alta, T 2 . El gas en el
cilindro se expande y empuja hacia arriba el pistón. Por último,
se hace descender la temperatura del cilindro a T 1 y el aparato
regresa a su estado original. El trabajo mecánico se lleva a cabo
gracias al movimiento ascendente y descendente del pistón y la
a) b) c)
repetición de este ciclo.
Una característica única de las máquinas térmicas es que
una parte del calor se debe emitir hacia los alrededores cuando Máquina térmica simple. a) La máquina inicialmente está en T 1 .
ejecutan el trabajo. Con el pistón en la posición elevada, el b) Cuando se calienta a T 2 , el pistón es empujado hacia arriba
motor no podrá seguir trabajando hasta que la temperatura del debido a la expansión del gas. c) Cuando su temperatura baja
cilindro descienda hasta T 1 . El proceso de enfriamiento elimina hasta T 1 , el pistón regresa a su posición original.

por lo que la atención se centra en los cambios en el sistema. Ahora es posible resumir
las condiciones para la espontaneidad y el equilibrio a temperatura y presión constantes
en términos de DG como sigue:
DG , 0 La reacción es espontánea en la dirección en la que se ha escrito
la ecuación química.
DG . 0 La reacción es no espontánea. La reacción es espontánea en la
dirección opuesta.
Tabla 17.2 DG 5 0 El sistema está en equilibrio. No hay un cambio neto.
Convenciones para estados
estándar Cambios de energía libre estándar
Estado de Estado La energía libre estándar de reacción ()G° reac ) es el cambio de energía libre en una
la materia estándar reacción cuando se lleva a cabo en condiciones estándar, cuando los reactivos en su
estado estándar se convierten en productos en su estado estándar. En la tabla 17.2 se
Gas Presión de 1 atm
resumen las convenciones utilizadas por los químicos para defi nir los estados estándar de
Líquido Líquido puro
las sustancias puras y de las disoluciones. Para calcular )G° reac , comenzamos con la si-
Sólido Sólido puro
guiente ecuación
Elementos* DG° f 5 0
Disolución Concentración aA 1 bB ¡ cC 1 dD
1 molar
El cambio de energía libre estándar para esta reacción está dado por
* La forma alotrópica más estable a
25°C y 1 atm. ¢G° reac 5 [c¢G° f (C) 1 d¢G° f (D)] 2 [a¢G° f (A) 1 b¢G° f (B)] (17.11)