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• Oscar Santoyo Calderon

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Termo-física y Termoquímica Termofísica: es la parte de la termodinámica que estudia los cambios de calor que acompañan a los procesos físicos. Cálculo de la variación de entalpía sin cambio de fase: el cambio de entalpía sin cambio de fase comprende los procesos de calentamiento y enfriamiento, los cuales pueden calcularse empleando tablas de propiedades termodinámicas o haciendo uso de los calores específicos a presión contante o a volumen constante, el cambio de entalpía en estos procesos se conoce como calor sensible, que es la cantidad de calor que se requiere para provocar un cambio en la temperatura de un sistema. Dibujo 1.bmp La relación entre la energía interna y la entalpía se muestra a continuación Dibujo 2.bmp

Para procesos a volumen constante (Cv): Dibujo 3.bmp

Ejemplo 1. Calcule la energía necesaria para el calentamiento de 5 kg de nitrógeno desde 300 K hasta 700 K, suponga: a) Proceso a volumen constante y b) a presión constante; utilice capacidades caloríficas promedio y variables. Determine el tiempo necesario para este proceso en cada caso, si la energía se suministra de una fuente de 110 v con una intensidad de corriente de de 12 A.calculos de energìa interna-entalpía.xlsx

Calores latentes:

Para el cálculo de entalpía para un cambio de fase se hace uso de los calores latentes, el calor latente se puede definir como la cantidad de energía que se requiere para cambiar de una fase a otra sin que la temperatura y la presión cambien, los cambios de fase que se pueden presentar son: Evaporación-condensación, fusión-solidificación y sublimación-deposición, al cambio de entalpía asociado se le conoce como calores latentes de vaporización, fusión y sublimación. Para cada par de procesos el cambio de entalpia es numéricamente igual pero de signo contario es decir.

Para calcular la entalpía total se multiplica por la masa si la entalpía de transición de fase es másica o por el número de moles si es molar. Dibujo 4.bmp

Donde representa La transición de fase. Propiedades de estado y trayectorias hipotéticas de los procesos. Aún cuando no puedas encontrar una tabla de entalpias para una sustancia, frecuentemente encontrarás datos que te permiten calcular los cambios de entalpía asociados con ciertos procesos; específicamente, 1. Cambios en la presión a temperatura constante. 2. Cambios en la temperatura a presión constante. 3. Cambios de fase a temperatura y presión constantes 4. Mezclado o separación de dos o más sustancias a temperatura y presión constantes. 5. Reacción química a temperatura y presión constante. Para calcular DH para un proceso arbitrario, puedes sustituir un secuencia hipotética compuesta de estas etapas, que conducen del estado inicial al

estado final. La secuencia se conoce como trayectoria del proceso. Al hacer esto puedes evaluar DH para cada etapa (supuestamente los datos necesarios están disponibles), y como H es una propiedad de estado, el valor de DH para el proceso completo, se calcula como la suma de los DH de las etapas individuales.

Dibujo 5.bmp

200 Ejemplo1. Calcule el cambio de entalpía para la evaporación de un kg de agua que se encuentra inicialmente a 20 ºC por debajo de su punto normal de congelación hasta convertirse en vapor a 200ºC y una atmósfera de presión.

Termoquímica

La termoquímica es la parte de la termodinámica que estudia los cambios de calor que acompañan a las reacciones químicas. Las reacciones químicas, son las interacciones entre sustancias para formar sustancias nuevas con características propias, durante las reacciones químicas,

el calor fluye hacia el sistema (reacciones endotérmicas) o desde el sistema (reacciones exotérmicas). Desde el punto de vista del tipo de interacciones químicas las reacciones pueden clasificarse como de: · Formación: son aquellas en las que se forma compuestos a partir de sus elementos, por ejemplo H2 + 1/2 O2 àH2O · Descomposición o eliminación, son aquellas en las cuales a partir de un compuesto se producen elementos u otros compuestos: CH3 -CH3 à CHΞCH +2H2 · Combustión. Son un tipo de reacción que tienen una gran importancia en la vida cotidiana y en la industria, ya que es a partir de este tipo de reacción de donde los seres vivos y en los procesos industriales, obtienen la energía para su funcionamiento. Las reacciones de combustión se definen como la oxidación rápida que ocurren con un desprendimiento apreciable de luz y calor. En todas las reacciones de oxidación siempre se produce energía (exotérmicas), y se forma óxidos. · Síntesis. Es la interacción de dos o más moléculas para formar una molécula de mayor tamaño por ejemplo, una proteína se sintetiza a partir de sus unidades estructurales, los aminoácidos. · Neutralización Son las interacciones entre un ácido y una base para contrarrestar los efectos que cada uno tiene por separado, siempre se forman sal y agua. · Óxido –reducción. Son reacciones caracterizadas por la transferencias de electrones, el agente reductor es un donador de electrones en tanto que el agente oxidante es un aceptor de electrones, la oxidación y la reducción siempre ocurren de manera simultánea

A la energía que se desprende en una reacción química se le conoce como calor de reacción o entalpía de reacción. Se expresa como el Incremento

estándar de entalpía, DH0, en el estado estándar DH0298 es el cambio estándar de entalpía a 1 atm y 298K (~ temperatura ambiente). Así como los cambios de estado, las reacciones tienen entalpías asociadas con ellas. Se puede escribir una ecuación termoquímica:

Ecuación química estándar más el cambio de entalpía Reactivos y productos en estado estándar ® la entalpía es la entalpía estándar de reacción, DH0 La entalpía de una reacción se puede calcular haciendo la diferencia entre la entalpía de productos y reactivos, considerando que los reactivos se alimentan en proporciones estequiométricas, que los reactivos se consumen completamente y que la temperatura y la presión de los reactivos y productos se mantienen constantes.

DH r0 = H (productos)-H (reactivos)

El calor generado durante una reacción química puede calcularse en función de los reactivos consumidos o productos generados de acuerdo con la ecuación: DH = (DH r0 na)/va

Donde: DH es el calor total desprendido o absorbido durante una reacción química, DH r0 es el calor de reacción estándar, na son los moles consumidos o producidos de la sustancia A en la reacción y na es el coeficiente estequiométrico de la sustancia A en la reacción balanceada. Tabla de datos termodinámicos con las entalpías estándar de formación. Están reportadas por mol de sustancia. Recuerda que la descomposición es lo mismo que la formación pero con el signo cambiado.

Cálculo de entalpía de reacción

Para realizar el cálculo de la entalpía estándar de una reacción global deberá tenerse en cuenta que ésta es la suma de las entalpías estándar de las reacciones individuales en que puede ser divida. Esta regla es conocida como la Ley de Hess de la suma de calores Calcule la entalpía de reacción para la formación de un mol de benceno líquido a 25 ºC y 1 atm de presión, a partir de las reacciones de combustión del benceno líquido, y de las reacciones de formación de un mol de dióxido de carbono gaseoso y un mol de agua líquida: C6H6 (l) + 15/2 O2 (g) à 6CO2 (g) + 3H2O (l) DH r0 =-3267.6 KJ/mol

C(s) + O2 (g) à CO2 (g) DH r0 =-393.5 KJ/mol

H2 (g) + ½ O2 (g) à H2O (l) DH r0 =-285.84 KJ/mol

La reacción que deseamos obtener es: 6C(s) + 3H2 (g)à C6H6 (l) DH r0 = ? KJ/mol Para encontrar la solución, podemos combinar las ecuaciones originales, las cuales podemos invertir, multiplicar por factores adecuados y sumar, lo que se hace a cada ecuación se aplica también a la entalpía: 6CO2 (g) + 3H2O (l) à C6H6 (l) + 15/2 O2 (g) DH r0 =+3267.6 kJ/mol 6C(s) +6O2 (g) à 6CO2 (g) DH r0 =6(-393.5 kJ/mol) 3H2 (g) +3 (½) O2 (g) à 3H2O (l) DH r0 =3(-285.84 kJ/mol) _ 6C(s) + 3H2 (g)à C6H6 (l) DH r0 = 49.08 kJ/mol

Lo anterior es una consecuencia del hecho de que H es una función de estado. Las reacciones componentes pueden ser hipotéticas. De una manera simplificada, el cálculo de la entalpía de una reacción puede ser realizado en función de las entalpías de formación quedando este procedimiento resumido en la ecuación:

Deberá tenerse en cuenta que la entalpía estándar de formación para todos los elementos es igual a cero. Cálculo del cambio de energía interna en reacciones químicas a volumen constante: DUro = DH r0+ DngRuT Donde PDV= DngRuT es igual al trabajo (w) efectuado durante el proceso. Dng es el incremento en el número de moles Calcule el cambio de entalpia, energía interna y trabajo efectuado en las siguientes reacciones: A) La combustión de un mol de metano (g) a 25ºC, considere el agua formada en el estado líquido B) La entalpía de formación de un mol de benceno líquido C) La entalpía de combustión de un mol de ciclohexano líquido Cálculo de entalpía de reacción a una temperatura diferente de 25 ºC

Expresando la ecuación anterior en su forma diferencial tendríamos:

Resolver los siguientes problemas:

1. Calcule el cambio de entalpía para la formación de un mol de agua líquida a 90 ºC a partir de sus elementos y la entalpía de formación estándar, suponga capacidades caloríficas constantes a la temperatura promedio.

2. Calcule el cambio de entalpía para la formación de un mol de amoniaco gaseoso a la temperatura de 200ºC a partir de la entalpía de formación estándar y suponiendo Cp variables.

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