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QUÍMICA FÍSICA PRIMERO DE INGENIERIA QUIMICA Relación de problemas. Tema 3: Primera Ley 1.- Identifique los siguientes sistemas como abiertos, cerrados o aislados: (a) café en un termo de muy alta calidad; (b) refrigerante en una bobina de refrigerador; (c) un calorímetro de bomba en el que se quema benceno; (d) gasolina que se quema en un motor de automóvil; (e) mercurio de un termómetro; (f) una planta viva. Sol.: (a) aislado; (b) cerrado; (c) aislado; (d) abierto; (e) cerrado; (f) abierto. 2.- (a) Describa tres maneras en que se podría aumentar la energía interna de un sistema abierto. (b) ¿Cuál de los métodos anteriores podría usar para aumentar la energía interna de un sistema cerrado? (c) ¿Cuál de los métodos anteriores podría usar para aumentar la energía interna de un sistema aislado? Sol.: (a) Añadiendo material al sistema, realizando trabajo sobre el sistema, aportando calor al sistema; (b) realizando trabajo sobre el sistema, aportando calor al sistema; (c) ninguno. 3.- Cada uno de los cuatro cilindros de un nuevo tipo de motor de combustión tiene un desplazamiento de 2,50 L (es decir, el volumen del cilindro se expande 2,50 L cada vez que el combustible se enciende). Si cada uno de los pistones en los cuatro cilindros se desplaza con una presión de 1,40 kbar y cada cilindro se enciende una vez por segundo, (a) ¿cuánto trabajo puede hacer el motor en 1 minuto? (b) ¿El trabajo será positivo o negativo con respecto al sistema (motor de combustión)? Sol.: (a) w= -8,4·107 J; (b) negativo. 4.- Una muestra de gas en un pistón se expande, haciendo un trabajo de 515 kJ sobre su entorno al mismo tiempo que se agregan 325 kJ de calor al gas. (a) ¿Cuál es el cambio en la energía interna del gas durante este proceso? (b) ¿La presión del gas aumentará o disminuirá cuando se completen estos cambios? Justifique su respuesta. Sol.: (a) ΔU = -190 kJ; (b) disminuirá. 5.- Un calentador eléctrico de 100 W (1 W = 1 J·s-1) opera durante 10 minutos para calentar el gas contenido en un cilindro. Al mismo tiempo, el gas se expande de 2,0 L a 10,0 L contra una presión atmosférica constante de 0,975 atm. ¿Cuál es el cambio en la energía interna del gas? Sol.: ΔU = 59,21 kJ. 6.- Indique si cada una de las siguientes afirmaciones acerca de un proceso adiabático en un sistema cerrado siempre es cierta, siempre es falsa o es cierta en determinadas condiciones (justifique las respuestas): (a) ΔU = 0; (b) q = 0; (c) q < 0; (d) ΔU = q; (e) ΔU = w. Sol.: (a) puede ser cierto; (b) siempre cierto; (c) siempre falso; (d) puede ser cierto; (e) siempre cierto. 7.- Indique si cada una de las siguientes afirmaciones acerca de un proceso diatérmico en un sistema cerrado con un volumen constante siempre es cierta, siempre es falsa o es cierta en determinadas condiciones (justifique las respuestas): (a) ΔU = 0; (b) w = 0; (c) w < 0; (d) ΔU = q; (e) ΔU = w. Sol.: (a) puede ser cierto; (b) siempre cierto; (c) siempre falso; (d) siempre cierto; (e) puede ser cierto. 8.- La entalpía de combustión del ácido benzoico, C6H5COOH, que ha menudo se utiliza para calibrar los calorímetros, es de -3227 kJ·mol-1. Cuando se quemaron 1,236 g de ácido benzoico en un calorímetro, la temperatura aumnetó 2,345 ºC; ¿cuál es la capacidad calorífica del calorímetro? Sol.: 13,93 kJ·K-1. 9.- Una muestra de gas en un cilindro con un volumen de 3,42 L a 298 K y 2,57 atm se expande a 7,39 L por dos vías diferentes. La vía A es una expansión isotérmica y reversible. La vía B tiene dos pasos: en el primero, el gas se enfría a volumen constante hasta alcanzar una presión de 1,19 atm; y en el segundo

paso, el gas se calienta y se deja expandir contra una presión externa constante de 1,19 atm hasta que el volumen final sea 7,39 L. Calcule el trabajo realizado por cada vía. Sol.:(vía A) w =-686 J; (vía B) w =-479 J. 10.- Calcule el calor que debe proporcionarse a 10,35 g de Ne(g) a 0,15 atm para elevar su temperatura de 25,0 ºC a 50,0 ºC a (a) presión constante; y (b) volumen constante. Suponga que el neón se comporta como un gas ideal. Datos: Para un gas ideal monoatómico los valores de su capacidad calorífica molar a 5 3 presión constante (CP,m) y a volumen constante (CV,m) son: C P ,m  R ; CV ,m  R . 2 2 Sol.: (a) q = 267 J; (b) q = 160 J. 11.- (a) Cuando se congelan 25,23 g de metanol, CH3OH, se liberan 4,01 kJ de calor. ¿Cuál es la entalpía de fusión del metanol? (b) Una muestra de benceno se vaporizó a 25 ºC. Cuando se le proporcionaron 37,5 kJ de calor, se vaporizaron 95 g de benceno líquido. ¿Cuál es la entalpía de vaporización del benceno a 25 ºC? Sol.:(a) ΔHfus(metanol) = 5,09 kJ·mol-1; (b) ΔHvap(benceno) = 30,79 kJ·mol-1. 12.- Si partimos de 155 g de agua a 30 ºC y 1 bar, ¿cuánto calor debemos aportar para convertir todo el líquido en vapor de agua a 100 ºC, si se mantiene constante la presión a 1 bar? Ver datos adjuntos. Sol.: q = 395,9 kJ. 13.- La oxidación de nitrógeno en el tubo de escape caliente de motores a reacción y automóviles sucede según la reacción: N2(g) + O2(g) → 2NO(g) ΔH0 = 180,6 kJ (a)¿Cuánto calor se absorbe en la formación de 1,55 moles de NO? (b) ¿Cuánto calor se absorbe en la oxidación de 5,45 L de nitrógeno medido a 1,0 atm y 273 K? (c) Cuando se completó la oxidación de N2 a NO en un calorímetro de bomba, el calor absorbido fue de 492 J. ¿Qué masa de gas nitrógeno se oxidó? Sol.: (a) q = 140,0 kJ; (b) q = 43,9 kJ; (c) 0,0763 g. 14.- El ácido clorhídrico oxida el metal cinc en una reacción que produce gas hidrógeno e iones cloruro. Un trozo de metal de cinc de masa 8,5 g se deja caer en un recipiente que contiene 800,0 mL de HCl(aq) 0,5 M. Si la temperatura inicial de la disolución de ácido clorhídrico es de 25 ºC, ¿cuál es la temperatura final de esta disolución? Considere que la densidad y la capacidad calorífica específica de la disolución son iguales que las del agua (ver datos adjuntos) y que todo el calor se usa para elevar la temperatura de dicha disolución. Use los datos de entalpías de formación estándar del apéndice 2A. Sol.: Temperatura final: 31 ºC. 15.- En la fabricación de ácido nítrico mediante oxidación de amoníaco, el primer producto es óxido nítrico que luego se oxida a dióxido de nitrógeno. A partir de las entalpías de reacción estándar, N2(g) + O2(g) → 2NO(g) ΔH0 = 180,6 kJ N2(g) + 2O2(g) → 2NO2(g) ΔH0 = 66,4 kJ Calcule la entalpía de reacción estándar para la oxidación de óxido nítrico a dióxido de nitrógeno, es decir, de la siguiente reacción: 2NO(g) +O2(g) → 2NO2(g) Sol.: ΔH0r = -114,2 kJ. 16.- Mediante el uso de las entalpías de formación estándar del apéndice 2A (datos adjuntos), calcule la entalpía de reacción estándar para cada una de las siguientes reacciones: (a) la fase final en la producción de ácido nítrico, cuando el dióxido de nitrógeno se disuelve y reacciona con el agua: 3NO2(g) + H2O(l) → 2HNO3(aq) + NO(g) (b) la formación de trifluoruro de boro que se usa ampliamente en la industria química: B2O3(s) + 3CaF2(s) → 2BF3(g) + 3CaO(s) (c) la formación de un sulfuro por acción del ácido sulfhídrico en una disolución acuaosa de una base: H2S(aq) + 2KOH(aq) → K2S(aq) + 2 H2O(l) Sol.: (a) ΔH0r = -138,18 kJ; (b) ΔH0r = 752,33 kJ; (c) ΔH0r = -38,72 kJ.

17.- Utilice las entalpías de enlace de los datos adjuntos para estimar la entalpía de reacción para cada una de las siguientes reacciones: (a) N2(g) + 3F2(g) → 2NF3(g) (b) CH3CH=CH2(g) + H2O(g) → CH3CH(OH)CH3(g) (c) CH4(g) + Cl2 (g) → CH3Cl(g) + HCl(g) Sol.: (a) ΔH0r = 248 kJ; (b) ΔH0r = -45 kJ; (c) ΔH0r = -115 kJ. 18.- (a) Utilizando los datos de las entalpías de formación estándar del apéndice 2A (datos adjuntos), calcule la entalpía requerida para vaporizar 1 mol de metanol líquido, CH3OH(l), a 298,2 K. (b) Dado que la capacidad calorífica molar, CP,m, del metanol líquido es 81,6 J·mol-1·K-1 y que de del metanol gaseoso es 43,89 J·mol-1·K-1, calcule la entalpía de vaporización del metanol en su punto de ebullición (64,7 ºC). (c) Compare el valor obtenido en (b) con el tabulado en la bibliografía de 35,3 kJ·mol-1; ¿cuál es la fuente de diferencia entre ambos valores? Sol.: (a) ΔH0vap,298 = 38,2 kJ·mol-1; (b) ΔH0vap,337,85 = 36,7 kJ·mol-1; (c) Capacidades caloríficas no son constantes con la temperatura.

3A.- ¿Cuánto calor se necesita para convertir un bloque de hielo de 42,30 g a -5,042 ºC en vapor de agua a 150,35 ºC ? Use los datos adjuntos. Sol.: q = 132,18 kJ. 3B.- Suponga que 50,0 mL de NaOH(aq) 0,50 M y 50 mL de HNO3(aq) 0,50 M, ambos inicialmente a 18,6 ºC, se mezclaron y agitaron en un calorímetro con una capacidad calorífica de 525,0 J·(ºC)-1 caundo estaba vacío. La temperatura de la mezcla se elevó a 20,0 ºC. (a) ¿Cuál es el calor producido por el proceso de neutralización que se da la mezclar ambas disoluciones? (b)¿Cuál es el cambio en la entalpía para la reacción de neutralización en kJ por mol de HNO3? Considere que la densidad y la capacidad calorífica específica de cada disolución es como la del agua (ver datos adjuntos). Sol.: (a) q = -1,32 kJ; (b) ΔHneutr. = -52,8 kJ·mol-1. 3C.- Un trozo de acero inoxidable de 155,7 g se calentó a 475 ºC y rápidamente se agregó a 25,34 g de hielo a -24 ºC en un frasco bien aislado y se selló de inmediato. (a) Si no hay pérdida de energía al entorno, ¿cuál será la temperatura final de este sistema? (b) Cuando el sistema alcance su temperatura final, ¿qué fases del agua estarán presentes y en qué cantidades? (ver datos adjuntos). Sol.: (a) Temperatura final: 100 ºC; (b) 21,14 g en fase líquida y 4,20 g en fase vapor. 3D.- Un técnico lleva a cabo la reacción: 2SO2(g) + O2(g) → 2SO3(g) , a 25 ºC y 1,0 atm en un cilindro a presión constante ajustada con un pistón. Inicialmente, en el cilindro están presentes 0,03 moles de SO2 y 0,03 moles de O2. El técnico agrega un catalizador par comenzar la reacción. (a) Calcule el volumen del cilindro que contiene los gases reactivos antes de comenzar la reacción. (b) ¿Cuál es el reactivo limitante? (c) Si se supone que la reacción se completa y que la temperatura y la presión permanecen constantes durante la reacción, ¿cuál es el volumen final del cilindro (incluya cualquier exceso de reactivo)? (d) ¿Cuánto trabajo se realiza, y se hace por el sistema o sobre el sistema? (e) Utilizando los valores de las entalpías de formación estándar del apéndice 2A (datos adjuntos), ¿cuál es el cambio de entalpía del sistema durante el proceso? (f) ¿Y el cambio de energía interna? Sol.: (a) V inicial: 1,47 L; (b) reactivo limitante: SO2; (c) V final: 1,1 L; (d) w = 37,5 J; (e) ΔH = -2970 J; (f) ΔU = -2932,5 J.