7/5/09

Termoquimica Problema Resuelto

PRROBLEMA: 50 g de agua se calientan desde una temperatura de 20 ºC hasta otra temperatura de 60 ºC. ¿Cuál es la cantidad de calor absorbida?

SOLUCION

Masa = 50 g
Tinicial = 20ºC
T final = 60 ºC

Q =mCe ∆T
Q = (50 g)(1 cal/gºC)(60 ºC – 20 ºC)
Q =2000 cal
= 2 kcal


Cuando dos o más sustancias se ponen en contacto, y se determina por ejemplo, la temperatura de equilibrio, se tendrán las siguientes condiciones en el balance de calor:

Calor ganado igual a calor perdido.
La suma algebraica de los valores debe ser cero.

Por ejemplo, se tienen dos masas A y B con temperaturas de 80 y 20 ºC respectivamente. A pierde calor y B lo gana, luego entonces.

QA = QB

Como A pierde calor por convención tiene signo (-), B gana por lo tanto, tiene signo (+) por lo que:

QB - QA = 0

Conceptos de Termoquimica

Antes de comenzar con termoquímica aclaremos algunos conceptos:

Un sistema es cualquier espacio o material en el que se desea enfocar la atención, es decir, es una porción aislada o limitada del universo que se somete a investigación. Es una parte pequeña del universo que se aísla para someterla a estudio. El resto se denomina ENTORNO. El entorno (alrededores o medio ambiente) es el resto del universo externo al sistema.

Hay tres tipos de sistemas:

SISTEMA ABIERTO
Puede intercambiar masa y energía con su entorno.

SISTEMA CERRADO
Permite la transferencia de energía (calor), pero no de masa con su entorno.


SISTEMA AISLADO
No permite la transferencia de masa ni de energía.

En Termoquímica, se le llama sistema a una reacción química.

Termoquímica es la parte de la Química que se encarga del estudio del intercambio energético de un sistema químico con el exterior.
EL calor es la transferencia de energía entre dos cuerpos que están a diferente temperatura (“flujo de calor”).

La temperatura de un sistema es una función de la energía cinética promedio de todas las partículas


El calor es la energía transferida entre dos sistemas y que está exclusivamente relacionada con la diferencia de temperatura existente entre ellos.



Las unidades de calor son la caloría (cal) y la unidad británica (Btu).

La caloría (cal) es la cantidad de calor requerido para elevar la temperatura de 1 gramo de agua de 14.5 a 15.5 °C.

La kilocaloría (Kcal) equivale a 1000 calorías.

1 caloría = 4.184 Joules (J).

Un Btu es la cantidad de calor requerida para elevar 1 ºF la temperatura de 1 libra-masa de agua. 1 Btu es igual a 251 996 cal.


Trabajo:

Se realiza trabajo sobre un sistema cuando una fuerza hace que el sistema se desplace en la dirección de la fuerza, y está definido por la ecuación:

T = f · d
Donde:

T = Trabajo
f = Fuerza
d = distancia


Joule demostró que cada vez que una cantidad dada de energía mecánica se transforma en calor se obtiene siempre la misma cantidad de este, quedó definitivamente establecida la equivalencia del calor y el trabajo como dos formas de energía, las razones de equivalencia se denominan equivalente mecánico del calor, y son:

1 cal = 4.184 Joules

1 cal = 0.42686 Kg · m


GASES. PROBLEMA RESUELTO

Qué tipo de proceso experimenta un gas en cada uno de los tramos indicados en el siguiente gráficos. Indique qué Ley se cumple en cada tramo




Tramo 1-2 del gráfico A

Observar que la P disminuye (descompresión) y V aumenta (expansión). Además como es un gráfico P versus V y la forma del gráfico es una hipérbola, todos estos indicadores hablan de un proceso isotérmico.
Según laTCM, si aumenta el volumen del recipiente (y del gas) sin modificar la temperatura (la energía cinética y la velocidad de las moléculas no se altera) las moléculas de gas tardarán más en llegar las paredes del recipiente, disminuirá la frecuencia de sus choques contra esa pared y disminuirá la presión (recuerden que la presión del gas es proporcional a la frecuencia de esos choques) . Esto corresponde a la Ley de Boyle y Mariotte.

Tramo 2-3 del gráfico A

Observen que en este tramo la presión aumenta y el volumen se mantiene constante, por lo tanto el gas sufre una compresión isocórica. Pero ¿qué sucede con la temperatura?
Si en un recipiente en que se mantiene fijo el volumen (proceso isocórico) la presión aumenta, esto ocurre porque las moléculas del gas se mueven más rápido y chocan con más frecuencia contra las paredes del recipiente. Esto se logra aumentando la temperatura del gas.(calentamiento).
En consecuencia el tramo 2-3 es una compresión y calentamiento isocóricos.
La ley que se cumple es la de Gay – Lussac.

Leyes Gases Ideales

Las leyes de los gases ideales relacionana las variables de presión (P), el volumen (V) y la temperatura (T).

La ley de Boyle - Mariotte relaciona inversamente las proporciones de
volumen y presión de un gas, manteniendo la temperatura constante:

P1. V1 = P2 . V2

La ley de Gay-Lussac afirma que el volumen de un gas......., a presión constante, es directamente proporcional a la temperatura absoluta:

V1/T1 = V2/T2


La ley de Charles sostiene que, a volumen constante, la presión de un gas es directamente proporcional a la temperatura absoluta del sistema:

P1/T1 = P2/T2


La temperatura se mide en kelvin (273 ºK = 0ºC) ya que no se puede dividir por cero.

Ley universal de los gases

De las tres leyes anteriores se deduce

P1/T1 =P2/T2; V1/T1 = V2/T2; P1.V1=P2.V2 -----

POR TANTO


P1.V1.T2 = P2.V2.T1

Ley de los Gases Generalizada

En base a la hipótesis de Avogadro puede considerarse una generalización de la ley de los gases. Si el volumen molar (volumen que ocupa un mol de molécula de gas) es el mismo para todos los gases en CNPT, entonces podemos considerar que el mismo para todos los gases ideales a cualquier temperatura y presión que se someta al sistema. Esto es cierto debido a que las leyes que gobiernan los cambios de volumen de los gases con variaciones de temperatura y presión son las mismas para todos los gases ideales. Se relaciona entonces, proporcionalmente, el número de moles (n), el volumen, la presión y la temperatura: P.V ~ n T. Para establecer una igualdad debemos añadir una constante (R) quedando:



P.V = n . R . T



El valor de R se calcula a partir del volumen molar en CNPT:

R = PV/nT = 1 atm. 22,4 L/1 mol. 273 K = 0.08205 atm.L/mol.K





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