Problemas Resueltos Balance De Energia.do.docx

PROBLEMAS PROPUESTOS BALANCE DE ENERGIA 1. Al quemarse la gasolina en un cilindro del motor de un coche se liberan 120 kJ. Si el trabajo realizado por los gases producidos en la combustión es de 50 kJ, calcula cuánto valdrá la variación de energía interna del sistema. ∆E = Q+W ∆E = -120J + (-50J) ∆E = -170 J 2.-¿Qué variación de energía interna se produce al transformarse 100 g de agua a 25ºC en vapor a 100ºC a la presión constante de 1 atm = 101300 Pa? Datos: ce(agua) 4180 J·kg–1·ºC–1; Lv = 2257 kJ·kg- 1; R = 8,31 J ·mol–1·K–1; d(agua) = 1000 kg · m–3. QTOTAL=Q 1 +Q2 Q1=mCe ∆ T

Q1=0.1

kg∗4180 J ∗(100−25)℃ kg ℃

Q1=31350 J 2=¿ m Lv Q¿ 2=¿ 0.1 kg∗2257 kJ / kg Q¿ 2=¿ 225700 J Q¿ QTOTAL=Q 1 +Q2

QTOTAL=31350 J +225700 J QTOTAL=257050 J

W =P ∆V Pa=J m 3

m 0.1 kg −4 3 V 1= = =10 m d 1000 kg /m3

V 2=

nRT = P

J ∗373 K mol K 3 =0.17 m 0.018 kg∗101300 Pa

0.1 kg∗8.31

3

−4

3

∆ V =V 2−V 1=0.17 m −10 m =0.17 m

3

W =−101300 Pa∗0.17 m

3

W =−17220.16667 J

∆ U =Q+W =257050 J + (−17220.16667 J )=239830 J

3.- Quemamos 25 g de octano (líquido) a volumen constante a 25ºC desprendiéndose 1200 kJ. ¿Cuál será ∆ U y ∆ H en la combustión de 3 moles. ´ C 8 H 18=12 ( 8 ) + ( 1 ) 18=114 g PM mol W =0

∆ U =Q El 25 signo menos se 3 (da 114por ) gramos gramos = disipar calor 1200 kJ Q

Q=−16416 kJ

∆ U =Q=−16416 kJ C8 H 18g +

25 O → 8 C O2g +9 H 2 Ol 2 2g

∆ n=∑ n prodductos−∑ n reactivos ∆ n=8−

25 2

∆ n=−4.5 mol de gas por cada mol de octano como son 3 moles de octano

∆ n=3 (−4.5 )=−13.5 273+25

∆ n=−13.5 mol

℃

∆ H=∆ U +∆ nRT ∆ H=−16416 kJ ±13.5 mol∗8.31

J ∗298 K mol K

∆ H=−16449 kJ

4.-Introducimos dos gases en un recipiente a presión constante. Al producirse la reacción entre ambos se liberan 185 kJ, al tiempo que se realiza un trabajo

del entorno sobre el sistema de 100 kJ. ¿Cuánto variará la energía interna y la entalpía del sistema. P=cte . ∆ U =Q+W =−185 Kj+(100 KJ)

∆ U =−85 Kj 5.-Durante la combustión de 1 mol de átomos de azufre en condiciones estándar se desprenden 296,8 kJ y durante la combustión de 1 mol de sulfuro de hidrógeno 560 kJ. Con estos datos determina la variación de entalpía que se produce en el proceso: 2 H 2 S(g) + S O 2(g ) → 2 H 2 O(l) +3 S(s) 3 H 2 S( g )+ O → S O2(g) + H 2 O(l) ; ∆ H=−560 kJ 2 2( g ) S (s) +O 2(g ) → S O 2(g) ; ∆ H =−296 kJ

(

´ 3 H 2 S (g ) + O → S O 2( g )+ H 2 O(l ) ; ∆ H =−560 kJ (+2) 2 2( g )

)

( S O2(g ) → S ( s) +O2( g) ; ∆ H=−296 kJ ) (−3) 2 H 2 S(g) + S O 2(g ) ´→ 2 H 2 O(l) +3 S(s) ∆ H= (−560 kJ ) (¿ 2)+ (−296 kJ )∗(−3)

⟦ 2 H 2 S(g ) +S O2(g) →2 H 2 O(l)+3 S (s) ∆ H=−229.3 kJ ⟧ 6.- Dadas las entalpías estándar de formación: ∆ Hof [CO (g)] = –110,5 kJ/mol; ∆ Hof [CO2 (g)] = –393,5 kJ/mol. Hallar la entalpía de la siguiente reacción: 1 CO(g) + O2(g) →2 CO2(g) 2 ∆ H=∑ n p ∆ H f (productos )−∑ nr ∆ H f (reactivos) ∆ H=−393.5 kJ −(−110.5 kJ ) ∆ H=−283 kJ

7.-Calcula el calor de formación a presión constante del CH 3–COOH (l) (ácido acético) si conoces que los calores de combustión del C (s), H 2 (g) y CH3– COOH) (l) son respectivamente –393,13, –285,9 y –870,7 kJ/mol.

C(s) +O2(g) →CO 2(g ) ; ∆ H =−393.3 kJ 1 H 2(g )+ O2(g) → H 2 O (l) ; ∆ H =−285.9 kJ 2 C H 3−COOH (l )+ 2O2(g) →2 CO2(g) +2 H 2 O(l) ; ∆ H=−870 kJ C(s) + H 2(g) +O 2(g) → C H 3 −COOH (l)

( C(s )+O2(g) →CO 2(g) ; ∆ H=−393.3 kJ )∗2

(H

2(g)

1 + O2(g ) → H 2 O(l ) ; ∆ H =−285.9 kJ ∗2 2

)

( C H 3 −COOH (l) +2O2(g) →2 CO 2(g )+ 2 H 2 O(l) ; ∆ H=−870 kJ )∗−1 C(s) + H 2(g) +O 2(g) → C H 3 −COOH (l) ∆ H= (−870 kJ )∗(−1 ) + (−393.3 kJ )∗( 2 ) + (−285.9 kJ )∗( 2)

∆ H=−488.4 kJ 8.- Calcula el calor de formación del ácido metanoico (HCOOH), a partir de los siguientes calores de reacción: C (s) + ½ O2 (g) CO (g); ∆ H = –110,4 kJ H2 (g) + ½ O2 (g) H2O (l); ∆ H = –285,5 kJ CO (g) + ½ O2 (g) CO2 (g); ∆ H = –283,0 kJ HCOOH(l) + ½O2 (g) H2O(l) + CO2(g); ∆ H = –259,6 kJ 1 C(s) + O2( g) → CO(g ) ; ∆ H =−110.4 kJ 2 1 H 2(g )+ O2(g) → H 2 O (l) ; ∆ H =−285.5 kJ 2 1 CO(g) + O2(g) →C O 2(g) ; ∆ H=−283.0 kJ 2 1 HCOOH (l )+ O2(g) → H 2 O(l) +C O2(g) ; ∆ H =−259.6 kJ 2 C(s) + H 2(g) +O 2(g) → HCOOH (l) 1 C(s) + O2( g) → CO(g ) ; ∆ H =−110.4 kJ 2

1 H 2(g )+ O2(g) → H 2 O (l) ; ∆ H =−285.5 kJ 2 1 CO(g) + O2(g) →C O 2(g) ; ∆ H=−283.0 kJ 2

( HCOOH

(l )

1 + O 2(g) → H 2 O (l )+C O2(g) ; ∆ H =−259.6 kJ ∗(−1) 2

)

C(s) + H 2(g) +O 2(g) → HCOOH (l) ∆ H=−419.3 kJ 9.-Calcula el calor de formación a presión constante del metano (g) (CH 4) a partir de los calores de combustión del C (s), H2 (g) y CH4 (g) cuyos valores son respectivamente -393,5, - 285,9 y -890,4 kJ/mol. C(s) +O2(g) →C O2(g) ; ∆ H=−393.5 kJ 1 H 2(g )+ O2(g) → H 2 O (l) ; ∆ H =−285.5 kJ 2 C H 4(g )+2 O2(g) → C O2(g) +2 H 2 O(l ) ; ∆ H =−890.4 kJ

( C (s )+ O2(g ) → C O2(g ) ; ∆ H=−393.5 kJ )∗(+1)

(H

2( g)

1 + O2(g ) → H 2 O ( l) ; ∆ H=−285.5 kJ ∗(+2) 2

)

( C H 4(g ) +2O2(g) →C O2(g) +2 H 2 O(l) ; ∆ H=−890.4 kJ )∗(−1)

⟦C (s) +2 H 2(g)´ → C H 4(g)⟧ ∆ H= (−393.5 kJ ) + (−285.5 kJ )∗( 2 ) + (−890.4 kJ )∗(−1) ∆ H=−74.9 kJ

10.-En una fábrica de cemento es necesario aportar al horno 3300 kJ por cada kilogramo de producto. La energía se obtiene por combustión de gas natural (que se considerará metano puro) con aire. ∆ Hºf : metano: –74,8kJ/mol; CO2: –393,5kJ/mol y H2O: –285,8kJ/mol R = 0,082 atm l/mol K ; Masas atómicas: C=12, H=1, O=16 Se pide: a) Formule y ajuste la reacción de combustión del gas natural. C H 4(g )+2 O2(g) → C O2(g) +2 H 2 O(l ) b) Determine el calor de la combustión completa del gas natural

∆ H=∑ n p ∆ H f (productos )−∑ nr ∆ H f (reactivos) ∆ H=−393.5 kJ + ( 2 ) (−285.8 kJ )−(−74.8 kJ )

∆ H=−890.3 kJ c) Calcule, por tonelada de cemento producido, la cantidad necesaria del gas natural expresada en kg. 3300 kJ ∗1000 kg kg ∗1 mol ton ∗0.016 kg 890.3 kJ =59.3 kg mol

d) ¿Cuantos metros cúbicos de aire medidos a 1atm y 25ºC serán necesarios para la combustión completa de la cantidad de gas natural del apartado. kg∗mol ( C H 4 ) ∗2 mol ( O2 ) 0.016 kg 59.3 =7412.5 mol O2 mol (C H 4 )

e) Considere que la combustión del gas natural se realiza en condiciones estándar y que el aire contiene un 21% en volumen de oxígeno.

V ( O 2) =

nRT 7412.5∗0.082∗298 = =1.844∗105 LO2 P 1

V ( aire ) =1.844∗105 L

O 2∗100 =8.625 L aire 21