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• Christian Paul Fausto Ruiz

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SEP

SNEST

DGEST

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TOLUCA

TERMODINAMICA

UNIDAD 5 “TERMOFISICA Y TERMOQUIMICA”

Ingeniería Química

P R E S E N T A: Tania Judith Arcos Del Angel

NO. CONTROL: 15280618

Metepec, Estado de México, a 28 de Marzo de 2017

5.1  Cálculos de variación de entalpía en procesos sin cambio de fase 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. 

La relación entre la energía interna y la entalpía se muestra a continuación 

Para procesos a volumen constante (Cv):

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.

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 H 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 H para cada etapa (supuestamente los datos necesarios están disponibles), y como H es una propiedad de estado, el valor de H para el proceso completo, se calcula como la suma de los H de las etapas individuales.

Ejemplos: 1. Calcule el cambio de entalpía, en cal, al expandir reversiblemente un mol de un gas ideal, desde un volumen inicial V 1 hasta dos veces su volumen (V2 = 2V1) desde una temperatura inicial de 273.15 K y a una presión constante de 1.0 atm. Solución: T2

H  n  Cpdt  n  Cp  T  n  Cp T2  T1   T1

H  1 mol 

5  1.986 cal  (543.32  273.16) K  1356.239 cal mol  K 2

2. Calcular la cantidad de calor para elevar la temperatura en 12 kg de plomo desde 80°C a 180°C. Datos: m=12 kg Ce=0.128 KJ/Kg °K (tablas) Cálculos: Calor sensible = Q= m Ce (T2-T1) Q=(12kg)(0.128 KJ/kg°K)(373.15°K) =573.158 KJ 3. Una muestra de acetona (CH3COCH3 (l); PM = 58.08 g/mol), de 0.58 g es quemada a temperatura y presión constante en un calorímetro de capacidad calórica neta, incluyendo la muestra, de 1.35 Kcal/K. En este proceso se observó un aumento de temperatura en el calorímetro, desde 22.87 hasta 24.56 ºC. a) Calcule el calor de combustión en cal/g de la muestra. b) Calcule los valores de E y H por mol. Solución: T2

H  n  Cpdt  n  Cp  T  n  Cp T2  T1   T1

H  1.35 Kcal q p  qcomb 

Hˆ 

K

 ( 297.71  296.02) K  2.282 Kcal

2.282 Kcal  3934.423 cal 0.58 g

2.282 Kcal  228.515 Kcal mol 0.58 g 58.08 g mol

CH3COCH3 + 4 O2  3 CO2 + 3 H2O n  3  3  1  4   1

H  E  PV  E  RTn 

4.

Eˆ  Hˆ  RTn  228515 cal

mol

 1.986 cal

mol  K

 297.71 K  1 mol  227.923 Kcal

mol

5.2 Cálculos de variación de entalpía con cambio de fase El análisis térmico típico consiste en suministrar energía a la muestra, a un ritmo conocido, y ver cómo varía, en general a presión constante, su temperatura y otras propiedades térmicas. El resultado para una sustancia pura se muestra en la Fig. 6.1. En la práctica el problema es complicado, pues es muy difícil determinar con precisión qué parte de la energía comunicada ha pasado a la muestra (el resto son las pérdidas), cuál es la temperatura representativa de la muestra (es de suponer que el entorno por donde se introduce la energía estará más caliente), la importancia de la velocidad de calentamiento, la influencia de los contaminantes, de los instrumentos de medida y control, etc.

Pero en el límite de proceso cuasiestático el comportamiento debe ser como el de la Fig. 6.1, y en particular, se obtendría exactamente la curva simétrica si el ensayo fuese de enfriamiento, aunque es más complicado controlar el flujo de calor evacuado que el introducido (en general por medios eléctricos). No se consideran aquí transformaciones químicas (descomposición, deshidratación). El análisis térmico tiene una gran importancia en la determinación de la composición de un sistema (se miden los puntos de cambio de fase, la energía involucrada en el cambio y la capacidad térmica) y se utiliza comúnmente para la caracterización de sustancias en toda la industria fisicoquímica (metalurgia, farmacia, alimentación). Se puede así construir el diagrama de fases de la sustancia de que se trate, como los representados en la Fig. 6.2; nótese que el diagrama p-T no es más que la proyección según v de la superficie p-v-T que corresponde a la ecuación de estado y que estos diagramas no contienen todos los datos que necesita la Termodinámica si

no incluyen alguna familia energética (cp, h, etc). En los cambios de fase de sistemas de composición variable hay mucha más riqueza de diagramas.

Los cambios de fase aparecen cuando el sistema pierde la condición de estabilidad, lo que requiere que d2S>0 para un sistema aislado, o d2G