151438191 Ley de Termodinamica

UUNNIIVVEERRSSIIDDAADD NNAACCIIOONNAALL

DDEE TTRRUUJJIILLLLOO

FFaaccuullttaadd ddee IInnggeenniieerraa EEssccuueellaa ddee IInnggeenniieerraa IInndduussttrriiaall

ALUMNA :

DOCENTE :

CURSO : QUMICA INDUSTRIAL

TEMA : LEYES DE LA TERMODINMICA

LIBRO I : QUMICA GENERAL OCTAVA EDICIN RALPH PETRUCCI

LIBRO II : QUMICA GENERAL OCTAVA EDICIN - PETER ATKINS

ESCUELA : INGENIERA INDUSTRIAL

TRUJILLO PER

LEYES DE LA TERMODINMICA QUMICA

INDUSTRIAL

INGENIERA INDUSTRIAL 2

CALORIMETRA

1. EJERCICIO 11 (Pg. 256 CAP. 7) - Libro: Qumica General Petrucci 8va Edicin

Despus de su combustin completa, las siguientes sustancias ceden las cantidades de calor

que se indican. Exprese sus calores de combustin respectivos en kilojulios por mol de

sustancia.

a) 0.584 g de propano, C3H8 (g), proporciona 29.4 KJ

b) 0.136 g de alcanfor, C10H16O, proporcionan 1.26 Kcal

c) 2.35 ml de acetona, (CH3)2CO (l)(d=0.791 g/ml), proporcionan 58.3 KJ

Solucin

a)

b)

c)


INDUSTRIAL


2. EJERCICIO 29 (Pg. 258- CAP. 7) - Libro: Qumica General Petrucci 8va Edicin

Un trozo de hierro de 465 g. se saca de un horno y se sumerge en 375 g. de agua en un

recipiente aislado. La temperatura del agua aumenta de 26 a 87 C. Si el calor especfico del

hierro es 0.449 J g-1 C-1, cul era la temperatura original del horno?

Solucin:

3. EJERCICIO 31 (Pg. 258 Captulo 7 )- Libro: Qumica General Petrucci 8va Edicin

Se sumerge una muestra de 1,00 kg de magnesio que est a 40,0 C en 1,00 L de agua que

est en un recipiente aislado a una temperatura constante de 20,0 C. Cul ser la

temperatura final de la mezcla Mg-H2O? (Calor Especfico del Mg = 1,024 J g-1 C.)

Solucin:

(

*

( )

(

)

( )


INDUSTRIAL


4. EJERCICIO 37 (Pg. 258 Captulo 7) - Libro: Qumica General Petrucci 8va Edicin

La combustin del metano, que es el componente principal del gas natural, se representa

mediante la ecuacin:

CH4(g) + 2O2(g) CO2(g) + 2H2O(I)

H = -890,3 KJ

a) Qu masa de metano, expresada en kilogramos, debe arder para que se libere un

calor de 2,80 x 107 KJ?

b) Qu cantidad de calor, expresado en kilojulios, se libera en la combustin completa

de 1,65 x 104 L de CH4 (g), medidos a 18,6 C y 768 mmHg?

c) Si la cantidad de calor calculada en el apartado (b) pudiese transferirse al agua con

100 por cien de eficiencia, qu volumen de agua, expresado en litros, podra

calentarse de 8,8 a 60,0 C?

SOLUCIN

a) Masa =


INDUSTRIAL


b) Primero determinamos el nmero de moles de CH4 presente con el gas ideal.

(

*

Y la energa es:

c)

5. EJERCICIO 2.3 (Pg. 73 Captulo 2) - Libro: Qumica General Peter Atkins Octava Edicin

Una solucin que contiene un mol de CO2 ocupa un volumen de 15.0 dm3 a 300 K. Cuando

est saturada con 2.35 KJ de energa y se incremente hasta una temperatura alta de 341 K.

Asumir que el estado de CO2 se describe con la ecuacin de Van der Waals. Calcular U y H.

Solucin

Si la

[ ]

De la ecuacin de Van der Waals

[ ]


INDUSTRIAL


Donde

De los datos

( )

6. EJERCICIO 2.19 (Pg. 21) - Libro: Qumica General Peter Atkins Octava Edicin

Al quemar 120 mg de antraceno C14H10 (s) en una bomba calorimtrica, la temperatura se

increment a 1.35 K. Calcular la constante del calormetro Qu incremento de temperatura

se producir al quemar en el calormetro en las mismas condiciones 135 mg de fenol C6H5OH

(s)?

SOLUCIN


INDUSTRIAL


(

*

| |

* (3050 KJ ) =4375 KJ

| |

TRABAJO

7. EJERCICIO 55 Trabajo - Pg. 259 (Libro: Qumica General Petrucci 8va Edicin)

Calcule la cantidad de trabajo, expresada en julios, correspondiente a la expansin de 3,5 L

de un gas (V) frente a una presin de 748 mmHg en las unidades (a) atmsferas litro (atm

L); (b) Julios (J); (c) caloras (cal).

Solucin

a) (

)

b)

(

* (

*

c) (

)


INDUSTRIAL


8. EJERCICIO 2.3 (Pg. 77 - Captulo 2) Libro: Qumica General Peter Atkins Octava Edicin

Una muestra de 2.00 moles de He se expande isotrmicamente a 22C desde 22.84 dm3

a 31.7 dm3. (a) Reversiblemente, (b) contra una presin externa igual a la presin final

del gas y (c) libremente (contra una presin externa nula). Calcular q, U y H para los

tres procesos.

Solucin

a) U = H = 0

b) U = H = 0

w= - pexv

Para un gas ideal

Pv =nRT

( )

* (10 dm m-1)3 =1.55 * 105 Pa

c) U = H = 0

w=0

q= U w =0 - 0 = 0


INDUSTRIAL



Se deja expandir reversible y adiabticamente una muestra de 3.12 g a 23.0 C desde 500

mL hasta 3.00 L Cul es el trabajo realizado por el gas?

Solucin

( )

Las temperaturas son reales

Ahora

Y (

)


Se condensa isotrmica y reversiblemente una muestra de 2.00 moles de CH3OH (g) a agua

lquida a 64 C. La entalpa de evaporizacin estndar del agua a 64 C es 35.3 KJ mol-1.

Deducir w, q, U, H para este proceso.

Solucin


INDUSTRIAL


Si existe una condensacin isotrmica y reversible, se da una presin constante a 1

atm, entonces:

Asumimos que el vapor metanol es una gas perfecto, and =pex y si la

condensacin es reversible entonces:


Una muestra de 1.5 moles de gas ideal con Cp.m = 20.8 JK-1 mol-1 que se encuentra 230 KPa y

315 K experimenta una expansin adiabtica reversible hasta que presin disminuye a 170

KPa. Calcular el volumen y la temperatura final y el trabajo realizado en el proceso.

Solucin

Donde


INDUSTRIAL


Si el gas es ideal, la velocidad es:

Ahora

La temperatura final para un gas ideal

El trabajo adiabtico es:


Calcular el trabajo de presin volumen. Suponga que la figura mostrada es 0.100 mol de He

a 298 k. Qu trabajo, expresado en julios, se realiza cuando se expanda a temperatura

constante?

Solucin

Trabajo Presin -

Volumen


INDUSTRIAL


Se dan datos suficientes para calcular los volmenes inicial y final del gas.

Una vez que se conocen los volmenes, se puede calcular V. El trmino de presin

externa en el trabajo de presin volumen es la presin final, 1.30 atm.

Por ltimo es necesario multiplicar el producto - Pext * V por un factor para pasar el

trabajo de atm en Julios.


INDUSTRIAL


PRIMERA LEY DE TERMODINMICA


Cul es la variacin de energa interna de un sistema si el sistema (a) absorbe un calor de 58

J y realiza un trabajo de 58 J? (b) absorbe un calor de 125 J y realiza un trabajo de 687 J? (c)

cede un calor de 280 cal y se realiza sobre l un trabajo de 1,25 kJ?

Solucin

a) U =q + w = +58 J +(-58 J) =0

b) U =q + w = +125 J + (-687 J) = -562 J

c) (

)


Relacin entre U, q y w mediante el primer principio de la termodinmica. En la expansin

de un gas, ste absorbe un calor de 25 J y realiza un trabajo de 243 J Cul es el valor de U

para este gas?

Solucin

Trabajo Presin -

Volumen


INDUSTRIAL


Para poder resolver este problema es necesario asignar correctamente los signos de

las cantidades de calor y trabajo.

Como el calor es absorbido por el sistema entrando en l, q es positivo.

Como el trabajo es realizado por el sistema y representa una energa que lo

abandona, w es negativo.


Calcule el cambio de energa interna cuando 2 moles de CO se convierten en 2 moles de

CO2 a 1 atm y 25 C

SOLUCIN

Primero necesitamos calcular que es el cambio en el numero de moles de gases

Se tiene el cambio de entalpa estndar y se pide calcular para lo que se necesita

la ecuacin:


INDUSTRIAL



Cuando se calientan 2.0 moles de CO2 a una presin constante de 1.25 atm, su temperatura

se incremente desde 250 K a 277 K. Sabiendo que la capacidad calorfica molar a presin

constante del CO2 es 37.11 JK-1mol-1. Calcular q, H y U.

Solucin


Cierto lquido tiene una . Calcular q,w, H, U cuando se vaporizan

0.75 moles a 260 K y 765 Torr.

Solucin

A presin constante


INDUSTRIAL


Porque el vapor es un gas perfecto, de valor especfico de la presin externa y no afecta

al valor numrico de la respuesta la procedencia de su estado.

ENTALPA


Se midi en un calormetro la entalpa de formacin estndar del metaloceno bis-(benceno)

cromo y se encontr que para la reaccin

Cr (C6H6)2 (s) Cr (s) + 2C6H6 (g), la U (583 K) = +8.0 KJ mol-1.

Hallar la correspondiente entalpa de reaccin y estimar la entalpa de formacin estndar

que tendr el compuesto a 583 K. La capacidad calorfica molar a presin constante del

benceno lquido es 136.1 J K-1 mol-1 y 81.67 J k-1 en estado gas.

Solucin

Cr (C6H6)2 (s) Cr (s) + 2C6H6 (g) ng =+2mol


INDUSTRIAL


Hallamos la entalpa de formacin

La entalpa de formacin del gas benceno a 583 k es relativa al valor a 298 k entonces:

Ahora

[ ]

Por tanto


INDUSTRIAL


19. EJERCICIO 47 (Pg. 259 Captulo 2)- Libro: Qumica General Petrucci 8va Edicin

Qu masa de hielo puede fundirse con una cantidad de calor coincidente con la necesaria

para elevar la temperatura de 3,50 mol de H2O(l) 50,0 C? *Hfusin = 6,01 kj / mol H2O(s)]

Solucin

(

*(

*

(

,

Igualamos

(

*(

* (

,


INDUSTRIAL



Una bola de rodamiento de acero inoxidable de 125 g (calor especfico 0,50 J g-1 C-1 a 525,0 C

se introduce en 75,0 mL de agua a 28,5 C que estn en un vaso de poliestireno abierto, La

temperatura se eleva a 100,0 C y el agua comienza a hervir. Qu masa de agua se evapora

mientras contina la ebullicin? (Hvap = 40,6 KJ / mol H2O)

Tabla 7.2 Entalpas de Formacin Estndar a 298 K

Sustancia Hf,298 KJ/mola Sustancia Hf,298 KJ/mol

a

CO(g) -110.5 HBr(g) -36.4

CO2(g) -393.5 Hl(g) 26.48

CH4(g) -74.81 H2O(g) -241.8

C2H2(g) 226.7 H2O(l) -285.8

C2H4(g) 52.26 H2S(g) -20.63

C2H6(g) -84.68 NH3(g) -46.11

C3H8(g) -103.8 NO(g) 90.25

C4H10(g) -125.6 N2O(g) 82.05

CH3OH(l) -238.7 NO2(g) 33.18

C2H5OH(l) -277.7 N2O4(g) 9.16

HF(g) -271.1 SO2(g) -296.8

HCl(g) -92.31 SO3(g) -395.7 a Valores para reacciones en las que se forma un mol de sustancia. La mayor parte de

los datos han sido redondeados para expresarlos con cuatro cifras significativas.

Solucin

Asumiendo: densidad


INDUSTRIAL


* (

) +

* (

) +

( )(

)(

*


Variaciones de entalpa que acompaan a los cambios de estado de la materia. Calcule H

para el proceso en el que 50.0 g de agua pasan del estado lquido a 10.0 C a vapor a 25.0 C.

Solucin

Este proceso tiene lugar a dos etapas: la elevacin de la temperatura del agua lquida de

10.0 a 25.0 C y vaporizacin completa del lquido a 25.0 C. La variacin de entalpa total es

la suma de las variaciones de estas dos etapas. Para un proceso a presin constante, H =qp

, por tanto, es necesario calcular el calor absorbido en cada etapa.


INDUSTRIAL


Calentamiento del agua desde 10.0 hasta 25.0 C.

Variacin del agua a 25.0 C. Para esta parte del clculo es necesario expresar la cantidad

de agua en moles, de modo que se pueda utilizar la entalpa molar de vaporizacin a 25 C.

Variacin total de entalpa

ENTALPA MOLARES DE FORMACIN ESTNDAR


Utilice los datos de la Tabla 7.2 para determinar el calor de combustin estndar de

C2H5OH(l) cuando los reactivos y los productos se mantienen a 25 C y 1 atm.

Solucin

Balance de Ecuacin:

[ ] [ ] [ ] [ ]


INDUSTRIAL



Utilice los datos de la tabla 7.2 y H de la siguiente reaccin para determinar la entalpa de

formacin estndar de CCl4(g) a 25 C y 1 atm.

CH4(g) + 4 Cl2(g) CCl4(g) + 4 HCl(g)

H = -397,3 KJ

Solucin

[ ] [ ] [ ] [ ]

[ ]

[ ]

[ ]

[ ]


INDUSTRIAL


24. EJERCICIO 87 ( Pg. 261 Captulo 7) - Libro: Qumica General Petrucci 8va Edicin

La descomposicin de la piedra caliza, CaCO3(s), en cal, CaO(s) y CO2(g) se lleva a cabo en un

horno de gas. Utilice los datos del Apndice D para determinar cunto calor es necesario para

descomponer 1,35 x 103 Kg de CaCO3(s). (Suponga que los calores de reaccin son los mismos

que a 25 C y 1 atm.)

Solucin

[ ] [ ] [ ]


INDUSTRIAL


25. EJERCICIO 73 (Pg. 261 - Captulo 7) - Libro: Qumica General Petrucci 8va Edicin

El sustituto del gas etanol (SGN) es una mezcla de gases que contiene CH4 (g) y que puede

utilizarse como combustible. Una solucin para obtener esta es

4CO (g) + 8 H2 (g) 3 CH4 (g) + CO2 + 2H2O (l) H =?

Utilizando los datos adecuados de entre los que se dan a continuacin, calcula H para esta

reaccin del SGN

C (grafito) + O2 (g) CO (g) H = -110.5 KJ

CO (g) + O2 (g) CO2 (g) H = -283.0 KJ

H2 (g) + O2 (g) 2 H2O (l) H = -285.8 KJ

C (grafito) + 2H2 (g) CH4 (g) H = -74.81 KJ

CH4 (g) + 2O2 (g) CO2 (g) + 2 H2O (l) H = -890.3 KJ

Solucin


INDUSTRIAL



Utilice la ley de Hess y los siguientes datos

CH4 (g) + 2O2 (g) CO2 (g) + 2 H2O (g) H = -802 KJ

CH4 (g) + CO2 (g) CO (g) + + 2H2 (g) H = 247 KJ

CH4 (g) + H2O (g) CO (g) + + 3H2 (g) H = 206 KJ

Para calcular H de la reaccin

CH4 (g) + O2 (g) CO (g) + 2H2 (g)

muy utilizada como fuente comercial de gas hidrgeno.

Solucin

Ahora dividimos el producto entre 4


INDUSTRIAL



Aplicar la Ley de Hess. Utilice los calores de combustin que se acaban de dar para calcular

H de la reaccin:

Dado los siguientes datos:

Solucin

Como necesitamos obtener trabajamos con una reaccin que contenga esta

mezcla, y esa es la inversa de la primera reaccin.

Ahora para obtener se tiene que multiplicar a las ecuaciones

que contengan a estas por un nmero tal que resulte estos reactivos.


INDUSTRIAL


Ahora obtenemos modificando las tres ecuaciones combinadas.


Utilice la ley de Hess para calcular la entalpa de reaccin estndar de la descomposicin del

bicarbonato de sodio, una de las reacciones que ocurren cuando se utiliza este compuesto en

alimentos que se hornean.

Solucin

[ ]

[ ]

[ ]

[ ]

[ ] [ ]

[ ]

[ ]


INDUSTRIAL


II LEY DE LA TERMODINMICA

ENTROPA MOLAR ESTNDAR DE ELEMENTOS Y COMPUESTOS


A partir de los datos dados en la siguiente tabla, determine la S para la reaccin NH3 (g) +

HCl (g) NH4Cl (s). Todos los datos son a 298 k.

Ht Gt

NH3 (g) -46.11 KJ mol -1 -16.48 KJ mol -1

HCl (g) -92.31 -95.30

NH4Cl (s) -314.4 -202.9

Solucin

[ ] [ ]

(

+

[ ] [ ]


INDUSTRIAL


30. EJERCICIO 17(Pg. 815 Captulo 20) - Libro: Qumica General Petrucci 8va Edicin

Determinar los valores de G a298 K para las siguientes reacciones

a) HCl (g) + O2 H2O (g) + Cl2

b) Fe2O3 + H2 (g) Fe3O4 (g) + H2O (g)

c) Ag+ (aq) + SO42- (aq) Ag2SO4 (s)

Solucin

a)

[ ] [ ] [ ] [ ]

( )

(

)

b)

[ ] [ ] [ ] [ ]

( )

(

)

c)

[ ] [ ] [

]

(

)


INDUSTRIAL



Utilice una tabla de magnitudes termodinmicas para establecer las siguientes propiedades

termodinmicas a 298 k, para la reaccin

2NaHCP3 (s) Na2CO3 (s) + H2O (l) + CO2 (g)

a) S

b) H

c) G

Solucin

a) [ ] [ ] [ ] [ ]

b) [ ] [ ] [ ] [ ]

c)


INDUSTRIAL



CO (g) + 2H2 (g) + CH3OH (g) CH3CH2OH (g) + H20 (g)

a) Calcular S,H,G para esta reaccin a 25 C.

b) Esta reaccin, est favorecida termodinmicamente a altas o bajas temperaturas?

A altas o bajas presiones? Justifique su respuesta

Solucin

a) [ ] [ ] [ ] [ ] [ ]

(

*

[ ] [ ] [ ] [ ]

[ ]

(

*

[ ] [ ] [ ] [ ]

[ ]

b) H < 0 por esta reaccin, adems est favorecida termodinmicamente a altas

temperaturas porque ngas =+2 - 4 = - 2 y a bajas temperaturas.


INDUSTRIAL



Se utiliza Svap, Hvap para el agua a 100 C. Determinar los valores de estas dos

magnitudes a 25 C.

Solucin

[ ] [ ]

[ ] [ ]

Este mtodo es alternativo pero incorrecto, el mtodo para obtener


INDUSTRIAL



Determinacin de la variacin de entropa para un cambio de fase. Cul es la entropa molar

estndar de vaporizacin del agua a 373 K sabiendo que la entalpa molar estndar de

vaporizacin es 40.7 KJ mol-1?

Solucin

Aunque no se necesita especficamente una ecuacin qumica, nos ayuda a identificar el

proceso para el que buscamos el valor de


Clculo de las variaciones de entropa a partir de entropas molares. Calcular la variacin de

entropa molar estndar de la conversacin de monxido de nitrgeno a dixido de carbono

(una etapa de la fabricacin de cido ntrico).

Solucin


INDUSTRIAL


VARIACIN DE LA ENERGAGIBS ESTNDAR

36. EJERCICIO 43 (Pg. 816 -- Captulo 20) - Libro: Qumica General Petrucci 8va Edicin

Para la reaccin 2PCl3 (g) + O2 2POCl3 (l), H = -620.2 KJ a 298 K y las entropas molares

estndar son PCl3 (g), 311. 8 J K-1; O2 (g), 205.1 JK-1; Y POCl3 (g), 222.4 J K-1.

Determine

a) G A 298 k

b) Si la reaccin se produce espontneamente en sentido directo o inverso cuando los

reactivos y productos se encuentran en sus estados estndar.

Solucin

a)

[ ] [ ] [ ]

b) La reaccin se produce espontneamente en sentido directo cuando los reactivos y

productos se encuentran en sus estados estndar, porque el valor de es cercano a

cero


INDUSTRIAL



Las siguientes variaciones de energa Gibs estndar se dan a 25 C.

1. N2 (g) + 3H2 (g) 2NH3 (g) G = -33.0 KJ

2. 4NH3 + 5O2 (g) 4NO (g) + 6H2O (l) G = -1010.5 KJ

3. N2 (g) + O2 (g) 2NO (g) G = 173.1 KJ

4. N2 (g) + 2O2 (g) 2NO2 (g) G = 102.6KJ

5. 2N2 (g) + O2 (g) 2N2O (g) G = 208.4 KJ

Combine las ecuaciones anteriores, de forma adecuada, para obtener los valores de G

para cada una de las siguientes reacciones.

a) N2O (g) + 3/2O2 (g) 2NO2 (g) G =?

b) 2H2 (g) + O2 (g) 2H2O (l) G =?

c) 2NH3 + 2O2 (g) N2O (g) + 3H2O (l) G =?

Cul de las reacciones (a), (b) y (c) tiende a producirse de forma completa a 25 C y cul

alcanzara una situacin de equilibrio con cantidades significativas de todos los reactivos y

productos presentes?

Solucin

a)


INDUSTRIAL


b)

La reaccin tiene tres tiempos, por tanto:

La alta negatividad del valor de indica que la reaccin tiende a producirse en forma

completa a 25 C.

c)

La reaccin tiene dos tiempos, por tanto:

La tiene una negatividad muy alta lo que indica que los reactivos podra darse en forma

completa.


INDUSTRIAL



Escriba una ecuacin para la reaccin de combustin de un mol de benceno, C6H6 (l),

adems determinar G a 298 K, si los productos de la combustin son:

a) CO2 (g) y H2O (l)

b) CO2 (g) y H2O (g)

Describa como podra determinar la diferencia entre los valores obtenidos (a) y (b) sin tener

qu escribir la ecuacin de combustin o determinar valores de G para las reacciones de

combustin.

Solucin

La reaccin de combustin es:

a) [ ] [ ] [ ]

[ ]

b) [ ] [ ] [ ]

[ ]

Hallamos la diferencia entre los valores de para notar la diferencia entre los

dos productos:


INDUSTRIAL


Y determinemos la diferencia de de dichos valores.

[ ] [ ]

[ ]

39. EJERCICIO 49 (PG. 817 - Captulo 20) - Libro: Qumica General Petrucci 8va Edicin

Valore la posibilidad de producirse la reaccin

N2H4 (g) 2OF2 (g) N2F4 (g) + 2H2O (g)

Obteniendo cada una de las cantidades siguientes para esta reaccin a 25 C

a) S (La entropa molar estndar de N2F4 (g) es 301.2 J K-1)

b) H

c) G

Es posible la reaccin? Si lo es Est favorecida a altas o bajas temperaturas?

Solucin

a)

[ ] [

]

b)

[

]

[ ]


INDUSTRIAL


c)

Como el valor de es negativo entonces la reaccin es espontnea y a 25C.

Porque la entropa y la entalpa son negativas, esta reaccin podra ser favorable a

bajas temperaturas.


Una tabla de datos termodinmicos incluye los siguientes valores para H2O (l) y H2O (g) a

298.15 k, obtenidos a la nueva presin estndar de 1 bar.

Ht Gt S

H2O (l) -285.830 KJ mol -1 -237.129 KJ mol -1 69.91

H2O (g) -241.818 -228.572 188.825

Utilice estos datos para determinar de dos formas diferentes G a 298.15 k para la

vaporizacin: H2O (l, 1 bar) H2O (g, 1 bar).

Solucin

[ ] [ ]


INDUSTRIAL


[ ] [ ]

[ ] [ ]

151438191 Ley de Termodinamica

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