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GRUPOS

FISICOQUIMICA (QMC 206)

ByC

GRUPO “B” Aux.: Pablo Albert Quispe Capquique GRUPO “C” Aux.: Christian Gonzalo Limachi Chavez

PRACTICA N° 2 PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA Ejercicio 1: En la ciudad de La Paz un ingeniero desea diseñar un horno y deberá calcular la temperatura más elevada que soportan las paredes del horno, de esta forma elegir el material de construcción adecuado, para ello se quema un gas que tiene una composición del 97% de propano y el resto inerte (Cp= 5 cal/mol K ; PM=4g/mol) que es alimentado a 40°C con aire húmedo precalentado a 50°C, si se usa un 50% de exceso de aire. Determinar la temperatura de llama adiabática. Pv0(50°C) =92,51 mmHg.

𝐻𝑓 (cal/mol) Cp (cal/mol grado)

𝐶3 𝐻8

𝐶𝑂2

𝐻2 𝑂

-24820

-94052

-57798

17,6

9,4

8,25

𝑁2

𝑂2

6,9

7,25

Ejercicio 2: Calcular la variación de energía interna que tiene lugar cuando 100g de agua pasan del estado vapor a 100°C a hielo a 0°C (a la presión atmosférica normal de La Paz) Cp(hielo) = 0,5 (cal/g grado); Cp(vapor) = 7,9 (cal/mol grado) ∆𝐻𝑓𝑢𝑠 = 1440

𝑐𝑎𝑙 𝑚𝑜𝑙

; ∆𝐻𝑣𝑎𝑝 = 9720

𝑐𝑎𝑙 𝑚𝑜𝑙

Ejercicio 3: Un cilindro horizontal aislado contiene un pistón no conductor sin rozamiento. A cada lado del pistón hay 51 litros de helio a 1 atm y 273 K. Se suministra calor lentamente al de la izquierda hasta que el pistón ha comprimido el gas de la derecha a 7,69 atm. Determinar: a) El trabajo que se ha realizado sobre el gas de la derecha en Joule b) La temperatura final del gas de la derecha y la izquierda en Kelvin c) El calor que se ha suministrado al gas de la izquierda en Joule Ejercicio 4: Un ingeniero desea diseñar un horno y deberá calcular la temperatura mas elevada que soportan las paredes del horno, de esta forma elegir el material de construcción adecuado, para ello se quema 10Kg de un gas que tiene una composición del 97% de propano y el resto inerte (Cp= 5 cal/mol K ; PM=4g/mol) que es alimentado a 40°C con aire húmedo precalentado a 50°C, si se usa un 50% de exceso de aire. Determinar la temperatura de llama adiabática. Pv0(50°C) =92,51 mmHg.

𝐻𝑓 (cal/mol) Cp (cal/mol grado)

𝐶3 𝐻8

𝐶𝑂2

𝐻2 𝑂

-24820

-94052

-57798

17,6

9,4

8,25

𝑁2

𝑂2

6,9

7,25

CURSO BASICO – AREA QUÍMICA FISICOQUIMICA (QMC – 206)

Ejercicio 5: Determine el trabajo reversible para comprimir, isotérmicamente a 122°F, 1 mol de CO2 desde una presión inicial de 1,01325 bar hasta 101,325 bar. Suponga: a) Comportamiento ideal b) Comportamiento real tipo gas de Van Der Waals (𝑎 = 3,61

𝐿2 𝑎𝑡𝑚 𝑚𝑜𝑙 2

y 𝑏 = 3,61

𝐿 𝑚𝑜𝑙

).

Ejercicio 6: Se permite el ingreso de aire atmosférico (P0 = 1 atm T0 = 20 °C) a un recipiente rígido y adiabático de volumen V=1,5 m 3 inicialmente vacío, hasta que en el mismo, se alcanza la presión P0; Cv=4,9 cal/mol K. Calcular: a) Los “n” moles de aire que ingresan al recipiente y la variación de la energía interna. b) Si el recipiente contiene inicialmente una cantidad de “n” moles para P1 = 0,7 atm y T1 = 90°C, Determinar los “n0” moles que ingresan y la variación de energía interna. Ejercicio 7: Determinar el cambio de energía interna que se produce durante la reacción de 1mol de hidrogeno con medio mol de oxígeno, en condiciones estándar de P y T sabiendo que los gases obedecen a: a) Ecuación de estado de Gas Ideal b) Ecuación de Van Der Waals ∆𝐻𝑓 (𝐻2𝑂) = −57798

𝑐𝑎𝑙 𝑚𝑜𝑙

𝐻2 𝑂

𝐻2

𝑂2

𝑎 (𝐿2 𝑎𝑡𝑚 𝑚𝑜𝑙 −2 )

5,72

0,244

1,36

𝑏 (𝐿 𝑚𝑜𝑙 −1 )

0,0319

0,0226

0,0318

Ejercicio 8: Un cilindro vertical de paredes adiabáticas y 100 cm de altura está dividido en dos partes por una membrana impermeable que se encuentra a 50 cm de la base. La parte superior del cilindro está cerrada por un pistón adiabático sobre el cual se ejerce una presión exterior constante. Inicialmente la parte inferior esta vacía, mientras que la parte superior tiene un mol de gas ideal monoatómico a 300 K, encontrándose el pistón a 100 cm de altura. En un momento determinado la se rompe la membrana y en consecuencia, el pistón desciende. Determínese: a) la altura a la que se detiene el pistón una vez que se ha alcanzado el equilibrio. b) El trabajo realizado sobre el gas.

Ejercicio 9: Una sala de exhibición cinematográfica, cuyas dimensiones son 50 m x 40 m x 20 m, se prepara para un espectáculo y tiene que calentarse desde 3°C hasta 77°F ¿Cuántos calentadores portátiles de 1,5KW que operen por dia, serian necesarios para este propósito? La presión permanece constante a 66 KPa durante el proceso de calentamiento ( 𝐶𝑣 = 29,1

𝐽 𝑚𝑜𝑙 𝐾

,

incluye todo lo existente en la sala)

Aux.: Pablo Albert Quispe Capquique Aux.: Christian Gonzalo Limachi Chavez

Cel.: 73041515 Cel.: 79669654 2

CURSO BASICO – AREA QUÍMICA FISICOQUIMICA (QMC – 206)

Ejercicio 10: El coeficiente de Joule-Thomson para un gas de Van Der Waals viene expresado por siguiente ecuación: 𝜇𝐽𝑇 =

1 2𝑎 3𝑎𝑏𝑃 ( − 𝑏 − 2 2) 𝐶𝑃 𝑅𝑇 𝑅 𝑇

a) i el amoniaco se comporta como un gas de Van Der Waals. Determinar la temperatura de inversión del amoniaco en grados centígrados a la presión de 50 atmosferas. 𝐿2 𝑎𝑡𝑚 𝐿 𝜕𝐻 𝑎 = 4,17 𝑏 = 3,61 𝐶𝑝 = ( ) 2 𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑜𝑙 𝜕𝑇 𝑃 b) Determinar la temperatura de inversión máxima del amoniaco en grados farenheit Ejercicio 11: El calor latente de fusión del agua a 32°F es de 80 cal/g y las capacidades caloríficas molares del agua y del hielo son 75,3 y 37,7 J/mol K, respectivamente. Estos valores de Cp, pueden considerarse independientes de la temperatura. Calcular ΔH para la congelación de 1mol de agua subenfriada a -20°C en calorías. Ejercicio 12: 2 moles de monóxido de carbono se comprimen adiabáticamente frente a una presión exterior constante de 10 atm desde la temperatura inicial de 27°C y la presión de 1 atm, hasta un estado de equilibrio. Suponiendo comportamiento ideal, calcular el calor involucrado, el trabajo desarrollado, la variación de energía interna y la variación de entalpia. Ejercicio 13: Una fuente de calor proporciona 6000 W durante 1000 segundos a 20 Kg de hielo que inicialmente se encuentra a 0°C. Suponiendo que no existen perdidas de calor a los alrededores, encontrar a) El estado final de este hielo. ¿es: i) líquido ii)solido iii)vapor iv)solido-líquido v)líquidovapor? b) Si ocurrieran los casos iv) o v) cuales serían las masas involucradas c) La temperatura final de los 20 Kg de agua ΔHvap=540cal/g

ΔHfus=80cal/g

Ejercicio 14: 20 litros de una gasolina contiene 95% (peso) de octano (el resto inerte). Se quema con 40% de exceso estequiométrico de aire húmedo (alimentado a 50°C). Si el rendimiento de la reacción es del 90%, ¿cuál será la temperatura de llama? Cpinerte=0,2 cal/g Minerte=20 g/mol ρgasolina=0,9 g/cc Pv=92,51 mmHg

ΔH0 C8H18 N2 CO2 H2O O2

f (cal/mol)

-

59796,7

-

54143,5 57851,7

Cp = a+bT+cT2 (cal/mol grado) a b x 103 c x 107 0,93 6,9 7,7 8,15 6,09

Aux.: Pablo Albert Quispe Capquique Aux.: Christian Gonzalo Limachi Chavez

Cel.: 73041515 Cel.: 79669654 3

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Ejercicio 15: Una botella plástica de dos litros contiene aire a a 27°C y 11,5 atm de presión manométrica, se expande hasta 1 atm. i) Isotérmicamente y reversiblemente ii) adiabáticamente y reversiblemente a) ¿Cuánto de trabajo total puede realizar en esta expansión? b) Cuanto será el trabajo útil o utilizable (no se debe olvidar que al salir el gas de la botella tiene que empujar a la atmosfera) Ejercicio 16: En La Paz (Teb = 90°C) 4 litros de agua líquida, inicialmente a 15°C, están contenidos en una tetera silbadora, Si el proceso se lleva a cabo en una cocina que funciona a GLP (Cuya composición másica es del 80% metano y el resto de etanol), donde solo se aprovecha el 70% del calor desarrollado por la cocina. Cual será: a) el tiempo que debe transcurrir hasta que la caldera deje de silbar, desde que se enciende la cocina, b) el cambio de energía interna ; c) la variación de entalpia. La caldera tiene un equivalente calorífico igual a 400 g de agua Potencia calorífica: CH4 = 11945 cal/g; C2H6 = 11342 cal/g La garrafa de GLP cuesta 22,5 bolivianos y dura 24 horas de trabajo continuo ΔHvap=9720 cal/mol

ΔHfus=80cal/g

Ejercicio 17: Cual será la temperatura de llama adiabática cuando 200 g de un gas de composición volumétrica 75% de metano y el resto inerte (Cp = 5cal/mol K) se queman, acá en La Paz (P = 500 mmHg) con aire húmedo que se alimenta a 60°C. Se usa el 80% de exceso de aire estequiométrico de aire.

𝐻 (cal/mol) Cp (cal/mol °C) Pv0

= 102,51 mmHg grado

𝐶𝐻4

𝐶𝑂2

𝐻2 𝑂

50168

-94052

-57798

12,2

9,4

8,25

𝑁2

𝑂2

6,9

7,25

R = 1,98 cal/mol grado = 0,082 atm L/mol grado = 8,3144 x 10 7 erg /mol

Ejercicio 18: 10g de hidrogeno, 28 g de nitrógeno y 64 g de oxigeno llenan un recipiente rígido (de volumen constante), a 25°C. Se hace pasar una chispa a través de la mezcla, el oxígeno y el hidrogeno reaccionan para dar agua y el recipiente se caliente ¿Cuánto calor deberá eliminarse para mantener constante la temperatura a 25°C? ¿a que temperatura se condensa toda el agua? Calor de formación del agua líquida (25°C)= - 68382,8 cal/mol, calor latente de vaporización dela agua = 10528,7 cal/mol (25°C)

∆𝐻0 (cal/mol) Cp grado)

(cal/mol

𝐶𝐻4

𝐶𝑂2

𝐻2 𝑂

50168

-94052

-57798

12,2

9,4

8,25

Aux.: Pablo Albert Quispe Capquique Aux.: Christian Gonzalo Limachi Chavez

𝑁2

𝑂2

𝐶𝑂 -26416

6,9

7,25

6,34

Cel.: 73041515 Cel.: 79669654 4

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Ejercicio 19: Un gas natural cuyo análisis cromatográfico da la composición volumétrica del 80% de metano y el resto de nitrógeno, es quemado con el 60% de exceso de aire húmedo(saturado al 80%) si los gases de salida, (en cuanto al carbono se refiere) tiene una composición volumétrica de 50% de CO2 y 50% de CO. ¿Cuál será la composición del gas qie sale del quemador? ¿Cuál será la máxima temperatura que debe esperarse alcanzar? Todos los gases se alimentan a 60°C Pv060°C = 250 mmHg

Ejercicio 20: 5 moles de monóxido de carbono se comprimen isotérmicamente a 26,85°C desde 1 atm hasta 100 atm. Suponiendo comportamiento de Van Der Waals, calcular la variación de entalpia en el proceso (en calorías) 1 2𝑎 𝜇𝐽𝑇 = ( − 𝑏) 𝐶𝑃 𝑅𝑇 𝐿2 𝑎𝑡𝑚 𝐿 𝑎 = 1,51 𝑏 = 3,99 ∗ 10−2 𝑃𝑉 0 = 233,7 𝑚𝑚𝐻𝑔 2 𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑜𝑙 Ejercicio 21: El calor latente de fusión del agua a 0°C es de 80 cal/g y las capacidades caloríficas molares del agua y el hielo son 75,3 y 37,7 J/mol K, respectivamente. Estos valores de Cp, pueden considerarse independientes de la temperatura. Calcular ΔH para la congelación de un mol de agua sobre enfriada a 20°C Ejercicio 22: En la obtención del hierro metálico en el mutún (se puede decir que prácticamente está a nivel del mar). La temperatura de trabajo en los hornos de fusión debe superar los 1600°C. Si se usa como combustible un gas equimolar de propano y butano y 40 % de exceso de aire húmedo al 80%, este último alimentado a 70°C: demostrar mediante cálculos si este combustible es o no conveniente

ΔH0f (cal/mol) C3H8 N2 CO2 H2O O2 C4H10

24845 -

94052 57798 30179

Cp = a+bT+cT2 (cal/mol grado) a b x 103 c x 107 17,6 6,9 7,7 8,15 6,09 21,0

NOTA: el número de ejercicios a realizar será coordinado con su respectivo Auxiliar

Aux.: Pablo Albert Quispe Capquique Aux.: Christian Gonzalo Limachi Chavez

Cel.: 73041515 Cel.: 79669654 5