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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA GABRIEL RENE MORENO FACULTAD DE CIENCIAS EXACTAS Y TECNOLOGIA
INGENIERIA DE LAS REACCIONES QUIMICAS I INTEGRANTES: LEANDRO GUZMAN RONALD SAAVEDRA MIRANDA ANANDA
DOCENTE: ING. TEJERINA GUERRA JULIO Santa Cruz – Bolivia
CAPITULO 4: BALANCES DE MATERIA 1. La gravedad específica del agua es 1.0000 a 4.0°C. Una corriente de agua a 4°C tiene velocidad de flujo másico de 255 g/s. ¿Cuál es su velocidad de flujo volumétrico? Si la temperatura de la corriente se eleva a 75°C, ¿cambia la velocidad del flujo másico? ¿Cómo esperaría que vanara la velocidad de flujo volumétrico? ¿Cómo calcularía la velocidad de flujo volumétrico a 75°C sin medirla? R.- 255 cm3/s. Si T aumenta, la velocidad de flujo másico permanece constante pero la velocidad de flujo volumétrico aumenta poco. Buscaría la densidad del agua líquida a 75°C y la dividiría entre 200 g/s. ⇔
2. La equivalencia de presiones 14.696 lbf/ ¿2 ❑ 760 mm Hg no está completa. Debe formularse como 14.6% Ibf/ ¿2
⇔
❑ 760 mm Hg a 0°C
¿Por qué es necesario, desde el punto de vista técnico, indicar la temperatura? ¿Por qué no constituye un error grave el hecho de omitir la temperatura? R.- Ph =ρgh y ρHg varia con la temperatura. La diferencia seria mínima. 3. ¿Qué es una ecuación de estado? ¿Cuál es la ecuación de estado de los gases ideales? ¿En qué condiciones (temperaturas y presiones altas o bajas) proporciona estimaciones más exactas la ecuación de los gases ideales? R.- Una relación entre la presión absoluta, el volumen específico y la temperatura absoluta de una sustancia. PV=RT. Alta T, baja.
4. Dos cilindros de gas tienen volúmenes idénticos y contienen gases a la misma temperatura y presión. El cilindro A contiene hidrógeno y el B contiene dióxido de carbono. Suponiendo que los gases tienen comportamiento ideal, diga cuáles de las siguientes variables diferirán para los dos gases: (a) número de gramos-mol. (b) número de moléculas, (c) masas, (d) volumen molar especifico (Lmol). (c) Densidades de masa (g-L)? Indique cuál de cada una de las cantidades que difieren será mayor y por cuánto. (Suponga que se comportan como gases ideales. R.- (c), (e). La masa y la densidad de masa del C02 son mayores, cada una por un factor de (P M CO /P M H ) = 22. 2
2
5. Por una tubería fluyen 100 gramos de etileno (C2H4) por hora a 1.2 atm y 70°C y 100 g h de buteno (C4H8) fluyen por una segunda tubería a las mismas temperatura y presión. ¿Cuáles de las siguientes cantidades difieren para los dos gases: (a) velocidad de flujo volumétrico, (b) volumen molar especifico (L mol). (c) Densidad másica (g L)? Para cada una de las cantidades que difieren, ¿cuál es mayor y por cuánto? (Suponga que se comportan como gases ideales. R.- (a) y (c)
´ nRT V´ = P Donde E denota al etileno y B al buteno. V =RTP , que es elmismo para B y E . Densidad de masa: ρ=
m ´ ( PM ) P = → ρB =2 ρ E RT V´
P M B=2 P M E=V E =2 V´ B
6. Un gas se almacena a T=200 K y P=20 atm. Indique si la ecuación de estado de los gases ideales proporcionaría una estimación del volumen específico del gas. V´
(L/mol), con diferencia de 1%
respecto al valor verdadero R. - RT/P=
[ 0.08206 L∗atm /(mol∗K ) ] (200 K)/ (20 atm) = 0.8206
L/mol<5L/mol. De la ecuación 5.2-3, es probable que el error sea mayor de 1%. 7. ¿Qué ocurre con el volumen de un gas ideal al duplicar la presión a temperatura constante? ¿Y al duplicar la temperatura a presión constante?
¿ V nuevo=
V antiguo ; V nuevo=2V antiguo 2
8. ¿Qué ocurre con la densidad de una cantidad fija de gas al aumentar la temperatura a presión constante? ¿Y al incrementar la temperatura a volumen constante? R.- Disminuye (n no cambia, V aumenta); nada. 9. La velocidad de flujo volumétrico de un gas ideal se da como 35.8 SCMH. La temperatura y presión del gas son -15ºC y 1.5atm. Diga se la velocidad de flujo volumétrico real del gas es (a) <35.8 m3 ( ) m3 ( ) m3 , b 35.8 , c > 38.5 , o ( d ) h h h de información adicional.
es indeterminada en caso de carecer
3
3
m ( ) m , b 35.8 h h
R.- (a) <35.8
10. Un cilindro que contiene una mezcla de
N 2 y O2
se lleva desde el
sótano hasta el piso más alto de un edificio de 50 pisos. Suponiendo que la temperatura permanezca constante, ¿ Cuáles de las siguientes propiedades del gas variaran durante el traslado: (a) la masa, (b) el peso, (c) la presión absoluta, (d) la presión manométrica, (e) la presión parcial del
N 2 , (f) el volumen de
O2 como componente puro, (g) la
densidad, (h) el volumen molar especifico? R.- (b) el peso (d) la presión manométrica 11. Una mezcla de gases ideales a 10 bar absolutos y 200 pc en un tanque de 100
H 2 y 50
m3 contiene 50mol% de
mol% de
H 2 ? ¿Cual es el volumen del
presión parcial del
N 2 . ¿Cuál es la
H 2 como
componente puro? pH y v H al aumentar la temperatura?
¿Qué ocurrirá con
R.- 5 bar; 50
2
2
m3 : p H aumenta, 2
vH
2
no cambia.
12. Una mezcla de gases ideales a presión de 10 atm. Absolutas contiene 50% por peso de parcial del
H 2 y 50% por peso de
N 2 . Diga si la presión
H 2 será menor, igual o mayor de 5 atm.
R.- Mayor que 5 atm. 13. Si el isopropanol se encuentra en estado gaseoso a T=400 K y P=1
atm, ¿se clasifica como vapor o como gas? R.- Vapor 14. El isopropanol se comprime en forma isotérmica a 400 K hasta que, a Pa , se forma una fase liquida. Las respectivas densidades
presión
del vapor y del líquido en ese punto son
ρva y ρla .
En un segundo
experimento, el isopropanol se comprime a 450K hasta que ocurre la condensación, punto en el cual la presión y las densidades del vapor y del líquido son entre (a)
R.- (a)
Pb , ρvb y ρlb . ¿Cuáles son las relaciones (>,=, <, o?)
Pa y Pb , ( b ) ρva y ρvb ,
Pa
y (c)
ρla y ρlb ?
ρla > ρb
15. Si el isopropanol a 550 K y 1 atm se comprime en forma isotérmica hasta 100 atm, ¿se formará un condensado? ¿Qué termino usaría para referirse al fluido en su estado inicial? ¿Y en su estado final? R.- Gas. Fluido supercrítico.
CAPITULO 7: ENERGIA Y BALANCES DE ENERGIA AUTOEVALUACION
1. ¿Qué formas de energía puede poseer un sistema? ¿En qué formas se puede transferir
energía hacia y desde un sistema cerrado?
R.- Las formas de energía son energía cinética, energía potencial y energía interna.
2. ¿Por qué carece de significado hablar del calor que posee un sistema?
R.-El calor se define como una forma de energía en tránsito, es decir que estará presente solo por un tiempo determinado. 3. Suponga que la energía inicial de un sistema (interna + cinética + potencial) es E¡ la energía final es Er, y que una
cantidad Q de
energía se transfiere de los alrededores al sistema como calor y otra cantidad W pasa del sistema a los alrededores como trabajo. Según la primera ley de la termodinámica, ¿cómo deben estar relacionadas E¡ Er, Q y W? R.- La energía final es igual a la energía inicial más el aporte de calor y trabajo del sistema. Ef=Ei +Q+W
AUTOEVALUACIÓN Un gas fluye por una tubería larga de diámetro constante. La salida de la tubería está más arriba que la entrada y la presión del gas de la salida es menor que la de la entrada. La temperatura del gas es constante en toda la tubería y el sistema está en estado estacionario. 1. ¿Cómo se compara la velocidad de flujo másico en la entrada y la
salida? ¿Y las densidades? ¿Y las velocidades de flujo volumétrico? (Suponga comportamiento de gas ideal.) R.-flujo másico de entrada es igual al flujo másico de salida, la densidad de entrada es mayor a la de salida y el flujo volumétrico de salida es mayor al de la entrada. 2. Diga si el cambio de energía potencial del gas de la entrada a la salida es positivo, negativo o cero. ¿Qué hay del cambio de energía cinética R.- Como la salida de la tubería
se encuentra más elevada que la
entrada entonces la energía potencial es mayor a la salida y la energía cinética final también es mayor porque hubo incremento de velocidad.
AUTOEVALUACIÓN 1. ¿Qué significan los términos sistema cerrado y sistema abierto? ¿Qué es un proceso adiabático? R.- Sistema cerrado.- la mas no atraviesa los límites del sistema. Sistema abierto.- la masa atraviesa los límites del sistema. Sistema adiabático.- el calor no atraviesa los límites del sistema.
2. Si se agregan 250 J a un sistema en forma de calor, ¿cuál será el valor de Q en la ecuación de
balance de energía? Si se realizan
250 J de trabajo sobre el sistema, ¿cuál es el valor de W?
R.-Si el calor se agrega al sistema calor es positivo Q=250j Si el sistema efectúa trabajo el trabajo es negativo W=-250j 3. Si un sistema cerrado tiene una energía interna de 100 kcal al
comenzar un proceso y 50 kcal al finalizar, ¿cuál es el valor de∆ U? R.-∆U=Uf-Ui=50Kcal-100Kcal=-50Kcal
4. ¿Bajo qué circunstancias se podría considerar que U es independiente de la presión para una sustancia pura? R.-Si la sustancia es un sólido o un líquido o un gas bajo condiciones cercanas a las ideales resulta razonable despreciar la independencia de U con la presión.
AUTOEVALUACIÓN
Un líquido incompresible fluye por una tubería horizontal recta. La fricción del fluido en el interior de la tu bería provoca que se u-ansfiera una pequeña cantidad de calor del flu ido; para compensar, debe real izarse trabajo de flujo sobre el fluido para desplazarlo a través del sistema (de modo que Wn es menor que cero). 1. ¿Cómo se relacionan V entrada y V salida donde V es la velocidad de flujo volumétrico del
líquido? (Recuerde que el
fluido es
incompresible.) R.-W=Pent. *Vent. –Psal.*Vsal Por la ecuación de continuidad para un fluido incompresible Vent=Psal
2. ¿Cómo deben relacionarse las presiones P entrada y P salida? ¿ (P entrada > P salida, P entrada = P salida 0 ...P entrada
R.-Como el trabajo final es mayor a cero y sabemos que Vent=Vsal, entonces la presión de entrada debe ser mayor a la de salida Pent>Psal.
AUTOEVALUACIÓN
La energía interna específica de cierto fluido es 200 cal/g. 1. ¿Cuál es la energía interna de 30 g de este fluido? R.-600cal
2. Si el fluido sale de un sistema a velocidad de flujo de 5 g/min, ¿a qué velocidad transportará energía interna fuera del sistema? R.-16.66 cal/s
3. ¿Qué necesitaría saber para calcular la entalpía específica de este fluido? R.-Se necesitaría la presión.
AUTOEVALUACIÓN
¿Cómo simplificaría la ecuación 7.4-15 en cada uno de los siguientes casos?
1. No hay partes móviles en el sistema. R.-Si no hay partes móviles en el sistema entonces no se efectua trabajo W=0
2. El sistema y sus alrededores están a la misma temperatura. R.-Como la temperatura es constante entonces el calor es igual Q=0
3. Las velocidades lineales de todas las corrientes son las mismas. R.-Si la velocidad de salida es igual a la de entrada entonces ∆E=Ecf-Ecf=0
4. Todas las corrientes entran y salen del proceso a una misma altura. R.- Si la altura es la misma entonces la entalpia potencial final es igual a la inicial
∆Ep=Epf-Epi=0
AUTOEVALUACIÓN 1. ¿Qué es una propiedad de estado?
R.- es una magnitud física macroscópica que caracteriza el estado de un sistema en equilibrio, y no de la forma en que el sistema llegó a dicho estado. 2. La entalpía de un vapor A en relación con A líquido a OºC y l atm es 5000 J/kg a OºC y l atm, y 7500 J/kg a 30°C y I atm. a) ¿Qué valor tiene H para A (1) a OºC y I atm? R.-Dado que n puede conocerse H en forma absoluta, por conveniencia podemos establecer un valor de Hₒ=0 para un estado de referencia de OºC. b) ¿Cuál es el valor aproximado de H para A (v) a OºC y 5 atm?
R.-El valor de H varia con respecto a la temperatura por tanto 1 atm o 5tam H será 5000j/kg.
c) ¿Cuál es el valor de para el proceso A (v, 30°C, 1 atm) -+ A (v, OºC, l atm)?
R= 1500 J/Kg ¿Depende la respuesta del estado de referencia empleado para generar la tabla de entalpias? ¿Por qué no? R.- no ¿Por qué no? Porque el ejercicio proporciona todos los datos para determinar el incremento de entalpias.
AUTOEVALUACIÓN
1. ¿En qué condiciones es aplicable el balance de energía mecánica, ecuación 7.7-2? ¿Cuál es la importancia física del término de pérdida por fricción, F, en esta ecuación?
R.-Fluido incomprensible, transferencia de calor despreciable y ausencia de cambios de energía debido a otros factores por la fricción.
2. ¿En qué condiciones es aplicable la ecuación de Bernoulli , ecuación 7.7-3?
R.-Para un proceso inviscido, es decir que no existe perdida por fricción (F=0), entonces es aplicable la ecuación de Bernoulli ∆z=0
CAPITULO 8: BALANCES EN PROCESOS NO REACTIVOS
AUTOEVALUACIÓN 1. Por definición, ¿qué significan C,, y Cp?
∆ P ∆v g + + P 2 gc gc
R.- Un cambio de temperatura ∆T de T1 conduce a un cambio de energía interna específica, como ∆T-> 0 la relación ∆´U/∆T se aproxima a un valor límite que es por definición la capacidad calorífica a volumen constante C v Cv= (∆´U/∆T) v Un cambio de temperatura a presión constante de T a T+∆T conduce a un cambio de entalpia específica, como ∆T-> 0 la relación ∆´H/∆T se aproxima a un valor límite que es por definición la capacidad calorífica a presión constante Cp Cv= (∆´H/∆T) p 2. Suponga que la fórmula
se emplea para calcular el cambio de entalpía específico para un cambio de temperatura y pre sión experimentado por a) un gas ideal, R.- Es exacta b ) un gas muy alejado del comportamiento ideal R.- Es exacta solo si P es constante c) un líquido. ¿Para cuál de ellos es exacta esta fórmula y para cuál es probable que produzca un error significativo? R.-Con margen de error 3. Si Cp para un gas ideal es 0.5 cal/(g·ºC) (es decir, una constante), ¿qué cambio de entalpía entalpía en calorías corresponde a un cambio de IOºC a 30ºC experimentado por cinco gramos del gas?
R.-∆H=5g*(0.5cal/g*ºC)*20ºC=50cal
AUTOEVALUACIÓN 1. La capacidad calorífica de una especie es 28.5 J/(mol·K). Recordando que la unidad de temperatura en el denominador se refiere a un intervalo de temperatura , ¿cuál es la capacidad calorífica de esa especie en J/(mol·ºC)? R.- 28.5 J/ (mol* ºC) (se puede expresar en cualquier tipo de unidad)
2. La constante de los gases, R, es aproximadamente igual a 2 cal/ (mol·K). Si CP para un vapor es 7 cal/(mol·ºC), estime Cv para éste. Si CP para un líquido es 7 cal/(mol·ºC), estime Cu para el mismo.
R.- Para gases ideales Cp=Cv + R entonces Cv= Cp-R= 7-2= 5 cal/ (mol*K) Para líquidos y solidos Cp=Cv entonces Cv= 7 cal/ (mol ºC) 3. Emplee la tabla 8.8 o B.9 para calcular las siguientes cantidades: a) La entalpia específica (kJ/mol) del N2 a lOOOºC en relación con N2 a 300ºC. R.-¨H(N2 a 1000 ºC) = 30.56 (KJ/mol) y ¨H(N2 a 300 ºC) = 8.47 (KJ/mol) ¨H= 30.56-8.47= 22.44 (KJ/mol) b) ∆Hí(kJ/mol) para el proceso CO2 (g, 800°C, 1 atm) -+ C02(g, 300ºC, l atm). R.-∆H= (H2-H1)= 11.58-37.36= -25.78
AUTOEVALUACION 1. Estime la capacidad caJorifica del carbonato de calcio sólido (CaC03) uti lizando la regla de Kopp y la tabla B.1O.
R.-Cp (CaCO3)= (Cpa) Ca + (Cpa) C+3*(Cpa) O Cp (CaCO3)=26+17.5+ (3*17)= 84.5 J (mol*°C) 2. Dos kilogramos de n-hexano l íquido [Cp = 2.5 kJ/(kg·ºC)] se mezclan con I kg de ciclohexano líquido [Cp = l.8 kJ/(kg·ºC)] y se calientan de 20ºC a 30ºC. Use la regla para mezclas líquidas (regla 1) dada en esta sección para demostrar que t:;.H =- 68 kJ para este proceso. ¿Qué valor tie ne Mf(kJ/kg mezcla)?
R. - ∆H={(2Kg)*(2.5KJ/Kg*°C)+(1Kg)(1.8KJ/Kg*°C)}* 10°C=68KJ ∆´H=68 KJ/3Kg= 23 KJ/Kg
3. Una solución acuosa al 0.100% por peso de cloruro de sodio se calienta de 25ºC a 50ºC. Utilice la regla para soluciones (regla 2) dada en la presente sección para estimar t.Íí(callg) para este proceso. Cp para el agua es 1 cal/(g·ºC).
R.- Cp (mezcla)=
∑ yi∗Cp∗dT
Cp (mezcla)=0.001*CpNaCl+0.999*Cp agua*dT (Cp NaCl despreciable por regla 2) Cp (mezcla)=Cp agua
∆´H= (1cal/g*°C)*(50-25) °C ∆´H=25 cal/g 4. La capacidad calorífica del agua liquida es I cal/(g·ºC), y la del etanol es 0.54 cal/(g·ºC). Estime la capacidad calorífica de una mezcla que contiene 50% de etanol y 50% de agua por masa. R.- (Cp) mezcla= (0.5*1) + (0.5*0.54)= 0.77cal/g
AUTOEVALUACIÓN 1. Si le dan tm valor de calor de vaporización de lOOºC y I atm, ¿confiaría en usarlo para estimar el cambio de entalpía para una vaporización a I OOºC y 2 atm? ¿Y a 200ºC y 1 atm?
R.- si para estimar el cambio de entalpia para una vaporización de 100°C y 1atm porque el calor latente rara vez varia con las diferencias de presiones en el punto de transición, y no para estimar el cambio de entalpia para una vaporización de 200°C y 1atm por que este si se ve afectado en los cambios de temperature. 2. Las entalpías de un líquido puro y su vapor a 75ºC y l atm SOll 100 J/mol y 1000 J/mol, en for ma respectiva, ambas medidas en relación con el líquido a OºC.
a) ¿Cuál es la entalpía de líquido a OºC? R.- es 0 porque la temperatura de referencia es igual a la temperatura la que entra el líquido. T=T ref. -> H´L=0
0°C
H´=
∫ Cp∗dT
=0
0°C
b) ¿Cuál es el calor de vaporización a 75ºC? R.- El calor de vaporización es la diferencia de entalpia especifica entre las formas liquida y vapor de una especie a T y P c) Suponga que cuenta con datos de la capacidad calorífica del líquido y su vapor. ¿Qué tra yectoria seguiría para calcular el cambio de entalpía asociado con 100 mol del vapor a 400ºC que se enfrían y condensan para formar un líquido a 25ºC? R.- El vapor a 75°C, condensarlo a 75°C y enfriar el líquido a 25°C 3. El calor de fusión del cloruro de cinc a 556 K es t:.Íím = 5500 cal/mol, y el calor de vaporiza ción de esta sustancia a l 000 K es !:.Hv = 28,710 cal/mol. Estime !:.Ún,(556 K) y t:.Üv( 1000 K) para el ZnC12. [Digamos R = 2 cal/(mol ·K).] R.- ∆U m=∆Hm=5500 cal/mol ∆U v=∆´H v-RT=28.710 cal/mol – ((2cal/mol*K)*1000K)= 1971.29cal/mol
AUTOEVALUACIÓN 1. Sólo conoce el punto normal de ebullición. R.-Regla de Trouton: ∆´H v (KJ/mol)=0.088 Tb (K) (líquidos no polares) =0.109 Tb (K) (agua, alcoholes de bajo peso molecular)
2. Conoce nada más el punto normal de ebullición y las constantes críticas.
R.- Ecuacion de Chen
3. Tiene los datos de presión de vapor en un rango que abarca p* = 1 atm, y la gráfica semiloga rítmica de p* contra l/ T es una línea recta. R.- ecuacion de Clusius - Clapeyron
La pendiente de la recta es -∆´H v/R (por que la presión de vapor de una sustancia se mide a diferentes temperaturas y se grafica en ln*p contra 1/T) 4. Repita el inciso 3. pero suponga que la gráfica es una cw·va. R.- Ecuación de Clapeyron
La tangente de la curva es -∆´H v/R (por que la presión de vapor de una sustancia se mide a diferentes temperaturas y se grafica en ln*p contra 1/T) 5. Conoce f:..Hv a una temperatura distinta de Tpeb y desconoce las capacidades caloríficas de la sustancia en sus formas líquida y gaseosa.
R.- Correlación de Watson
6. Repita el inciso 5, pero suponga que tiene los datos de capacidad calorífica. R.-
AUTOEVALUACIÓN 1. El calor de solución de un soluto A en agua a 25ºC es -40 kJ/mol A para r = 10 mol H20/mol A y -60 kJ/mol A para dilución i11finita.¿Cuál es la entalpia específica (kJ/mol A) de una solución acuosa de A para la cual r = 10 mol H20/mol A en relación con: a) H20 pura y A a 25ºC? R. - H´= ∆´Hs(r) -40 KJ/mol A = ∆´Hs(r) b) ¿H20 pu ra y una solución acuosa infinitamente diluida de A? R.- H´= ∆´Hs(r) - H´= ∆´Hs (∞) H´= -40KJ/mol-(-60KJ/mol)= 20KJ/molA
2. Si 5 mol de A se disuelven en 50 mol de H20 a 25°C.¿cuánto
calor se desprende o absorbe? (Diga qué sucede observando que Q = !).H para este proceso.) R.- Q=∆H Q= 5mol*(-40KJ/mol)=-200KJ (el calor se desprende)
3. ¿Cuánto calor se desprende o se absorbe si la solución preparada en el inciso 2 se vacía en un gran tanque de agua a 25ºC?
R.- Q=∆H Q= 5mol*(-60-(-40) KJ/mol)=-100KJ (el calor se desprende)
CAPITULO 9: BALANCES EN PROCESOS REACTIVOS
AUTOEVALUACIÓN
1. ¿Qué es el calor de reacción? ¿Qué es el calor estándar de reacción?
R.- El calor de reacción de entalpia de reacción es la diferencia de ( HprodHreact.) Y el calor normal de reacción cuando tanto los reactivos con los producto se encuentran a 1 presión y una T=25 ºC especifica.
2. Suponga que 6.fI; es -40 kJ/11101 para la reacción 2A ---+ B. a) ¿Cuál es el valor de la relación (kJ/mol A que reaccionaron)? H R.-∆Hr=2(-40Kj/mol)=-80kl/mol
b) Diga si la reacción es exotérmica o endotérmica a 25ºC y l atm. R.-La reacción es exotérmica (por el signo negativo)
c) Si los reactivos y productos están a la misma temperatura, ind ique si se debe agregar o reti rar calor del reactor. (Suponga que el balance de energía se reduce a Q = ó.H.) R.- Suponiendo que q=∆h si esta ajo esta condición se suministra calor a fin de mantener constante la temperatura (así la velocidad de reacción) evitando así que disminuya.
d) Si el reactor es adiabático (Q = O), diga si los productos saldrán a mayor o menor tempera tura que la de los reactivos que entran. R.- Sera mayor.
3. C6H14Cl) + C6H14(g) +
19 2
19 02 ---+ 6 C02 +7 H20(1): 2
. ∆Hr; = -4163 kJ/mol
02 ---+ 6 C02 + 7 H20(I): ∆Hr; = -4195 kJ/mol
El estado estándar para los calores de reacción es 25° y I atm. ¿Cuál es la importancia fisica de la diferencia entre los dos valores dados de ∆Hr?
R.-Se sabe que el calor de reacción depende de los estados de agregación de los reactivos y los productos por lo tanto la entalpia es una función de estado,la diferencia entre estos dos valores de reacción debe ser el cambio de entalpia asociado con la vaporización de 1 mol de C6H14 a 25 H ..
4. Escriba la fórmula para ∆Ur(T ) en términos de 6.Ílr(T) para la reacción A(g) + 2B(g) + C(l) ---+ D(g) + 2E(s).
R.- SOLUCION: Usamos la fórmula de energía interna de reacción; nota líquido y gases son despreciables. ∆Ur(T)= ∆Ur(T) –RT(1-3) ∆Ur(T)= ∆Ur(T)-2RT
AUTOEVALUACIÓN 1. ¿Qué es la ley de Hess? R.-Señala el valor del calor de una reacción e s el mismo tanto si esta realiza en una etapa o varias etapas por lo tanto la reacciones se pueden sumar o restar algebraicamente. 2. Suponga que se miden en forma experimental los calores de reacción a 25° para el siguiente con junto de reacciones:
2A + B -> 2C:
!1}Ír1 = -1000 kJ/mol
A + D -> e + 3E:t1ft; 2 = -2000 kJ/mol Utilice la ley de Hess para demostrar que para B + 6 E -+ 2D:
t:,.f¡:= + 3000 kJ/mol
R.- Solución: Multiplico la reacción 2 por 2: 2A+B→2C 2ª+2D→2C+6E H ∆Hr=∆Hr1-2∆Hr2
B-2D→-6E Por lo tanto B+6E→2D
H ∆Hr=-1000-2(-2000) H ∆Hr=3000KJ/MOL esta demostrado
AUTOEVALUACIÓN 1. El calor estándar de la reacción 2 co ..... 2 e + 02 es t::.f! ;= +221 .0 kJ/mol. Utilice este resultado para calcular el calor estándar de formación del CO y verifique su resultado con un valor tabulado. R.-La reacción de esta formación de CO es C+1/2 02 →CO de manera que el calor de formación es igual a -1/2 veces del calor de la reacción dada -110.5kj/mol y este valor coincide con el valor tabulado en la tabla.
2. Si ∆H r es -28.64 kcal/mol para C3H8(1) y -24.82 kcal/mol para C3Hg(g),
¿cuál es la importancia física de la diferencia
entre estos valores? R.- Significa físico es el calor latente de vaporización del propano a 25 HC indicando el calor necesario para vaporizar la unidad de masa de un líquido sin que varié la temperatura: Datos ∆H Hf= -28.64 kcal/mol para ∆H Hf=-24.82 kcal/mol para
C3 H 8
C3 H 8
(liq)
(gas)
3. Considere la reacción CH4 + 2 02 -+ C02 + 2 H20(v) Escriba la fórmula para t::.fl;en términos de los calores estándar de formación de reactivos y pro ductos. R.-
∆H Hr= 1 ∆H Hf CO2 +12 ∆H Hf H20 -1∆H Hf CH4
INGENIERIA DE LAS REACCIONES QUIMICAS I INTEGRANTES: LEANDRO GUZMAN RONALD SAAVEDRA MIRANDA ANANDA
DOCENTE: ING. TEJERINA GUERRA JULIO Santa Cruz – Bolivia
CAPITULO 4: BALANCES DE MATERIA 1. La gravedad específica del agua es 1.0000 a 4.0°C. Una corriente de agua a 4°C tiene velocidad de flujo másico de 255 g/s. ¿Cuál es su velocidad de flujo volumétrico? Si la temperatura de la corriente se eleva a 75°C, ¿cambia la velocidad del flujo másico? ¿Cómo esperaría que vanara la velocidad de flujo volumétrico? ¿Cómo calcularía la velocidad de flujo volumétrico a 75°C sin medirla? R.- 255 cm3/s. Si T aumenta, la velocidad de flujo másico permanece constante pero la velocidad de flujo volumétrico aumenta poco. Buscaría la densidad del agua líquida a 75°C y la dividiría entre 200 g/s. ⇔
2. La equivalencia de presiones 14.696 lbf/ ¿2 ❑ 760 mm Hg no está completa. Debe formularse como 14.6% Ibf/ ¿2
⇔
❑ 760 mm Hg a 0°C
¿Por qué es necesario, desde el punto de vista técnico, indicar la temperatura? ¿Por qué no constituye un error grave el hecho de omitir la temperatura? R.- Ph =ρgh y ρHg varia con la temperatura. La diferencia seria mínima. 3. ¿Qué es una ecuación de estado? ¿Cuál es la ecuación de estado de los gases ideales? ¿En qué condiciones (temperaturas y presiones altas o bajas) proporciona estimaciones más exactas la ecuación de los gases ideales? R.- Una relación entre la presión absoluta, el volumen específico y la temperatura absoluta de una sustancia. PV=RT. Alta T, baja.
4. Dos cilindros de gas tienen volúmenes idénticos y contienen gases a la misma temperatura y presión. El cilindro A contiene hidrógeno y el B contiene dióxido de carbono. Suponiendo que los gases tienen comportamiento ideal, diga cuáles de las siguientes variables diferirán para los dos gases: (a) número de gramos-mol. (b) número de moléculas, (c) masas, (d) volumen molar especifico (Lmol). (c) Densidades de masa (g-L)? Indique cuál de cada una de las cantidades que difieren será mayor y por cuánto. (Suponga que se comportan como gases ideales. R.- (c), (e). La masa y la densidad de masa del C02 son mayores, cada una por un factor de (P M CO /P M H ) = 22. 2
2
5. Por una tubería fluyen 100 gramos de etileno (C2H4) por hora a 1.2 atm y 70°C y 100 g h de buteno (C4H8) fluyen por una segunda tubería a las mismas temperatura y presión. ¿Cuáles de las siguientes cantidades difieren para los dos gases: (a) velocidad de flujo volumétrico, (b) volumen molar especifico (L mol). (c) Densidad másica (g L)? Para cada una de las cantidades que difieren, ¿cuál es mayor y por cuánto? (Suponga que se comportan como gases ideales. R.- (a) y (c)
´ nRT V´ = P Donde E denota al etileno y B al buteno. V =RTP , que es elmismo para B y E . Densidad de masa: ρ=
m ´ ( PM ) P = → ρB =2 ρ E RT V´
P M B=2 P M E=V E =2 V´ B
6. Un gas se almacena a T=200 K y P=20 atm. Indique si la ecuación de estado de los gases ideales proporcionaría una estimación del volumen específico del gas. V´
(L/mol), con diferencia de 1%
respecto al valor verdadero R. - RT/P=
[ 0.08206 L∗atm /(mol∗K ) ] (200 K)/ (20 atm) = 0.8206
L/mol<5L/mol. De la ecuación 5.2-3, es probable que el error sea mayor de 1%. 7. ¿Qué ocurre con el volumen de un gas ideal al duplicar la presión a temperatura constante? ¿Y al duplicar la temperatura a presión constante?
¿ V nuevo=
V antiguo ; V nuevo=2V antiguo 2
8. ¿Qué ocurre con la densidad de una cantidad fija de gas al aumentar la temperatura a presión constante? ¿Y al incrementar la temperatura a volumen constante? R.- Disminuye (n no cambia, V aumenta); nada. 9. La velocidad de flujo volumétrico de un gas ideal se da como 35.8 SCMH. La temperatura y presión del gas son -15ºC y 1.5atm. Diga se la velocidad de flujo volumétrico real del gas es (a) <35.8 m3 ( ) m3 ( ) m3 , b 35.8 , c > 38.5 , o ( d ) h h h de información adicional.
es indeterminada en caso de carecer
3
3
m ( ) m , b 35.8 h h
R.- (a) <35.8
10. Un cilindro que contiene una mezcla de
N 2 y O2
se lleva desde el
sótano hasta el piso más alto de un edificio de 50 pisos. Suponiendo que la temperatura permanezca constante, ¿ Cuáles de las siguientes propiedades del gas variaran durante el traslado: (a) la masa, (b) el peso, (c) la presión absoluta, (d) la presión manométrica, (e) la presión parcial del
N 2 , (f) el volumen de
O2 como componente puro, (g) la
densidad, (h) el volumen molar especifico? R.- (b) el peso (d) la presión manométrica 11. Una mezcla de gases ideales a 10 bar absolutos y 200 pc en un tanque de 100
H 2 y 50
m3 contiene 50mol% de
mol% de
H 2 ? ¿Cual es el volumen del
presión parcial del
N 2 . ¿Cuál es la
H 2 como
componente puro? pH y v H al aumentar la temperatura?
¿Qué ocurrirá con
R.- 5 bar; 50
2
2
m3 : p H aumenta, 2
vH
2
no cambia.
12. Una mezcla de gases ideales a presión de 10 atm. Absolutas contiene 50% por peso de parcial del
H 2 y 50% por peso de
N 2 . Diga si la presión
H 2 será menor, igual o mayor de 5 atm.
R.- Mayor que 5 atm. 13. Si el isopropanol se encuentra en estado gaseoso a T=400 K y P=1
atm, ¿se clasifica como vapor o como gas? R.- Vapor 14. El isopropanol se comprime en forma isotérmica a 400 K hasta que, a Pa , se forma una fase liquida. Las respectivas densidades
presión
del vapor y del líquido en ese punto son
ρva y ρla .
En un segundo
experimento, el isopropanol se comprime a 450K hasta que ocurre la condensación, punto en el cual la presión y las densidades del vapor y del líquido son entre (a)
R.- (a)
Pb , ρvb y ρlb . ¿Cuáles son las relaciones (>,=, <, o?)
Pa y Pb , ( b ) ρva y ρvb ,
Pa
y (c)
ρla y ρlb ?
ρla > ρb
15. Si el isopropanol a 550 K y 1 atm se comprime en forma isotérmica hasta 100 atm, ¿se formará un condensado? ¿Qué termino usaría para referirse al fluido en su estado inicial? ¿Y en su estado final? R.- Gas. Fluido supercrítico.
CAPITULO 7: ENERGIA Y BALANCES DE ENERGIA AUTOEVALUACION
1. ¿Qué formas de energía puede poseer un sistema? ¿En qué formas se puede transferir
energía hacia y desde un sistema cerrado?
R.- Las formas de energía son energía cinética, energía potencial y energía interna.
2. ¿Por qué carece de significado hablar del calor que posee un sistema?
R.-El calor se define como una forma de energía en tránsito, es decir que estará presente solo por un tiempo determinado. 3. Suponga que la energía inicial de un sistema (interna + cinética + potencial) es E¡ la energía final es Er, y que una
cantidad Q de
energía se transfiere de los alrededores al sistema como calor y otra cantidad W pasa del sistema a los alrededores como trabajo. Según la primera ley de la termodinámica, ¿cómo deben estar relacionadas E¡ Er, Q y W? R.- La energía final es igual a la energía inicial más el aporte de calor y trabajo del sistema. Ef=Ei +Q+W
AUTOEVALUACIÓN Un gas fluye por una tubería larga de diámetro constante. La salida de la tubería está más arriba que la entrada y la presión del gas de la salida es menor que la de la entrada. La temperatura del gas es constante en toda la tubería y el sistema está en estado estacionario. 1. ¿Cómo se compara la velocidad de flujo másico en la entrada y la
salida? ¿Y las densidades? ¿Y las velocidades de flujo volumétrico? (Suponga comportamiento de gas ideal.) R.-flujo másico de entrada es igual al flujo másico de salida, la densidad de entrada es mayor a la de salida y el flujo volumétrico de salida es mayor al de la entrada. 2. Diga si el cambio de energía potencial del gas de la entrada a la salida es positivo, negativo o cero. ¿Qué hay del cambio de energía cinética R.- Como la salida de la tubería
se encuentra más elevada que la
entrada entonces la energía potencial es mayor a la salida y la energía cinética final también es mayor porque hubo incremento de velocidad.
AUTOEVALUACIÓN 1. ¿Qué significan los términos sistema cerrado y sistema abierto? ¿Qué es un proceso adiabático? R.- Sistema cerrado.- la mas no atraviesa los límites del sistema. Sistema abierto.- la masa atraviesa los límites del sistema. Sistema adiabático.- el calor no atraviesa los límites del sistema.
2. Si se agregan 250 J a un sistema en forma de calor, ¿cuál será el valor de Q en la ecuación de
balance de energía? Si se realizan
250 J de trabajo sobre el sistema, ¿cuál es el valor de W?
R.-Si el calor se agrega al sistema calor es positivo Q=250j Si el sistema efectúa trabajo el trabajo es negativo W=-250j 3. Si un sistema cerrado tiene una energía interna de 100 kcal al
comenzar un proceso y 50 kcal al finalizar, ¿cuál es el valor de∆ U? R.-∆U=Uf-Ui=50Kcal-100Kcal=-50Kcal
4. ¿Bajo qué circunstancias se podría considerar que U es independiente de la presión para una sustancia pura? R.-Si la sustancia es un sólido o un líquido o un gas bajo condiciones cercanas a las ideales resulta razonable despreciar la independencia de U con la presión.
AUTOEVALUACIÓN
Un líquido incompresible fluye por una tubería horizontal recta. La fricción del fluido en el interior de la tu bería provoca que se u-ansfiera una pequeña cantidad de calor del flu ido; para compensar, debe real izarse trabajo de flujo sobre el fluido para desplazarlo a través del sistema (de modo que Wn es menor que cero). 1. ¿Cómo se relacionan V entrada y V salida donde V es la velocidad de flujo volumétrico del
líquido? (Recuerde que el
fluido es
incompresible.) R.-W=Pent. *Vent. –Psal.*Vsal Por la ecuación de continuidad para un fluido incompresible Vent=Psal
2. ¿Cómo deben relacionarse las presiones P entrada y P salida? ¿ (P entrada > P salida, P entrada = P salida 0 ...P entrada
R.-Como el trabajo final es mayor a cero y sabemos que Vent=Vsal, entonces la presión de entrada debe ser mayor a la de salida Pent>Psal.
AUTOEVALUACIÓN
La energía interna específica de cierto fluido es 200 cal/g. 1. ¿Cuál es la energía interna de 30 g de este fluido? R.-600cal
2. Si el fluido sale de un sistema a velocidad de flujo de 5 g/min, ¿a qué velocidad transportará energía interna fuera del sistema? R.-16.66 cal/s
3. ¿Qué necesitaría saber para calcular la entalpía específica de este fluido? R.-Se necesitaría la presión.
AUTOEVALUACIÓN
¿Cómo simplificaría la ecuación 7.4-15 en cada uno de los siguientes casos?
1. No hay partes móviles en el sistema. R.-Si no hay partes móviles en el sistema entonces no se efectua trabajo W=0
2. El sistema y sus alrededores están a la misma temperatura. R.-Como la temperatura es constante entonces el calor es igual Q=0
3. Las velocidades lineales de todas las corrientes son las mismas. R.-Si la velocidad de salida es igual a la de entrada entonces ∆E=Ecf-Ecf=0
4. Todas las corrientes entran y salen del proceso a una misma altura. R.- Si la altura es la misma entonces la entalpia potencial final es igual a la inicial
∆Ep=Epf-Epi=0
AUTOEVALUACIÓN 1. ¿Qué es una propiedad de estado?
R.- es una magnitud física macroscópica que caracteriza el estado de un sistema en equilibrio, y no de la forma en que el sistema llegó a dicho estado. 2. La entalpía de un vapor A en relación con A líquido a OºC y l atm es 5000 J/kg a OºC y l atm, y 7500 J/kg a 30°C y I atm. a) ¿Qué valor tiene H para A (1) a OºC y I atm? R.-Dado que n puede conocerse H en forma absoluta, por conveniencia podemos establecer un valor de Hₒ=0 para un estado de referencia de OºC. b) ¿Cuál es el valor aproximado de H para A (v) a OºC y 5 atm?
R.-El valor de H varia con respecto a la temperatura por tanto 1 atm o 5tam H será 5000j/kg.
c) ¿Cuál es el valor de para el proceso A (v, 30°C, 1 atm) -+ A (v, OºC, l atm)?
R= 1500 J/Kg ¿Depende la respuesta del estado de referencia empleado para generar la tabla de entalpias? ¿Por qué no? R.- no ¿Por qué no? Porque el ejercicio proporciona todos los datos para determinar el incremento de entalpias.
AUTOEVALUACIÓN
1. ¿En qué condiciones es aplicable el balance de energía mecánica, ecuación 7.7-2? ¿Cuál es la importancia física del término de pérdida por fricción, F, en esta ecuación?
R.-Fluido incomprensible, transferencia de calor despreciable y ausencia de cambios de energía debido a otros factores por la fricción.
2. ¿En qué condiciones es aplicable la ecuación de Bernoulli , ecuación 7.7-3?
R.-Para un proceso inviscido, es decir que no existe perdida por fricción (F=0), entonces es aplicable la ecuación de Bernoulli ∆z=0
CAPITULO 8: BALANCES EN PROCESOS NO REACTIVOS
AUTOEVALUACIÓN 1. Por definición, ¿qué significan C,, y Cp?
∆ P ∆v g + + P 2 gc gc
R.- Un cambio de temperatura ∆T de T1 conduce a un cambio de energía interna específica, como ∆T-> 0 la relación ∆´U/∆T se aproxima a un valor límite que es por definición la capacidad calorífica a volumen constante C v Cv= (∆´U/∆T) v Un cambio de temperatura a presión constante de T a T+∆T conduce a un cambio de entalpia específica, como ∆T-> 0 la relación ∆´H/∆T se aproxima a un valor límite que es por definición la capacidad calorífica a presión constante Cp Cv= (∆´H/∆T) p 2. Suponga que la fórmula
se emplea para calcular el cambio de entalpía específico para un cambio de temperatura y pre sión experimentado por a) un gas ideal, R.- Es exacta b ) un gas muy alejado del comportamiento ideal R.- Es exacta solo si P es constante c) un líquido. ¿Para cuál de ellos es exacta esta fórmula y para cuál es probable que produzca un error significativo? R.-Con margen de error 3. Si Cp para un gas ideal es 0.5 cal/(g·ºC) (es decir, una constante), ¿qué cambio de entalpía entalpía en calorías corresponde a un cambio de IOºC a 30ºC experimentado por cinco gramos del gas?
R.-∆H=5g*(0.5cal/g*ºC)*20ºC=50cal
AUTOEVALUACIÓN 1. La capacidad calorífica de una especie es 28.5 J/(mol·K). Recordando que la unidad de temperatura en el denominador se refiere a un intervalo de temperatura , ¿cuál es la capacidad calorífica de esa especie en J/(mol·ºC)? R.- 28.5 J/ (mol* ºC) (se puede expresar en cualquier tipo de unidad)
2. La constante de los gases, R, es aproximadamente igual a 2 cal/ (mol·K). Si CP para un vapor es 7 cal/(mol·ºC), estime Cv para éste. Si CP para un líquido es 7 cal/(mol·ºC), estime Cu para el mismo.
R.- Para gases ideales Cp=Cv + R entonces Cv= Cp-R= 7-2= 5 cal/ (mol*K) Para líquidos y solidos Cp=Cv entonces Cv= 7 cal/ (mol ºC) 3. Emplee la tabla 8.8 o B.9 para calcular las siguientes cantidades: a) La entalpia específica (kJ/mol) del N2 a lOOOºC en relación con N2 a 300ºC. R.-¨H(N2 a 1000 ºC) = 30.56 (KJ/mol) y ¨H(N2 a 300 ºC) = 8.47 (KJ/mol) ¨H= 30.56-8.47= 22.44 (KJ/mol) b) ∆Hí(kJ/mol) para el proceso CO2 (g, 800°C, 1 atm) -+ C02(g, 300ºC, l atm). R.-∆H= (H2-H1)= 11.58-37.36= -25.78
AUTOEVALUACION 1. Estime la capacidad caJorifica del carbonato de calcio sólido (CaC03) uti lizando la regla de Kopp y la tabla B.1O.
R.-Cp (CaCO3)= (Cpa) Ca + (Cpa) C+3*(Cpa) O Cp (CaCO3)=26+17.5+ (3*17)= 84.5 J (mol*°C) 2. Dos kilogramos de n-hexano l íquido [Cp = 2.5 kJ/(kg·ºC)] se mezclan con I kg de ciclohexano líquido [Cp = l.8 kJ/(kg·ºC)] y se calientan de 20ºC a 30ºC. Use la regla para mezclas líquidas (regla 1) dada en esta sección para demostrar que t:;.H =- 68 kJ para este proceso. ¿Qué valor tie ne Mf(kJ/kg mezcla)?
R. - ∆H={(2Kg)*(2.5KJ/Kg*°C)+(1Kg)(1.8KJ/Kg*°C)}* 10°C=68KJ ∆´H=68 KJ/3Kg= 23 KJ/Kg
3. Una solución acuosa al 0.100% por peso de cloruro de sodio se calienta de 25ºC a 50ºC. Utilice la regla para soluciones (regla 2) dada en la presente sección para estimar t.Íí(callg) para este proceso. Cp para el agua es 1 cal/(g·ºC).
R.- Cp (mezcla)=
∑ yi∗Cp∗dT
Cp (mezcla)=0.001*CpNaCl+0.999*Cp agua*dT (Cp NaCl despreciable por regla 2) Cp (mezcla)=Cp agua
∆´H= (1cal/g*°C)*(50-25) °C ∆´H=25 cal/g 4. La capacidad calorífica del agua liquida es I cal/(g·ºC), y la del etanol es 0.54 cal/(g·ºC). Estime la capacidad calorífica de una mezcla que contiene 50% de etanol y 50% de agua por masa. R.- (Cp) mezcla= (0.5*1) + (0.5*0.54)= 0.77cal/g
AUTOEVALUACIÓN 1. Si le dan tm valor de calor de vaporización de lOOºC y I atm, ¿confiaría en usarlo para estimar el cambio de entalpía para una vaporización a I OOºC y 2 atm? ¿Y a 200ºC y 1 atm?
R.- si para estimar el cambio de entalpia para una vaporización de 100°C y 1atm porque el calor latente rara vez varia con las diferencias de presiones en el punto de transición, y no para estimar el cambio de entalpia para una vaporización de 200°C y 1atm por que este si se ve afectado en los cambios de temperature. 2. Las entalpías de un líquido puro y su vapor a 75ºC y l atm SOll 100 J/mol y 1000 J/mol, en for ma respectiva, ambas medidas en relación con el líquido a OºC.
a) ¿Cuál es la entalpía de líquido a OºC? R.- es 0 porque la temperatura de referencia es igual a la temperatura la que entra el líquido. T=T ref. -> H´L=0
0°C
H´=
∫ Cp∗dT
=0
0°C
b) ¿Cuál es el calor de vaporización a 75ºC? R.- El calor de vaporización es la diferencia de entalpia especifica entre las formas liquida y vapor de una especie a T y P c) Suponga que cuenta con datos de la capacidad calorífica del líquido y su vapor. ¿Qué tra yectoria seguiría para calcular el cambio de entalpía asociado con 100 mol del vapor a 400ºC que se enfrían y condensan para formar un líquido a 25ºC? R.- El vapor a 75°C, condensarlo a 75°C y enfriar el líquido a 25°C 3. El calor de fusión del cloruro de cinc a 556 K es t:.Íím = 5500 cal/mol, y el calor de vaporiza ción de esta sustancia a l 000 K es !:.Hv = 28,710 cal/mol. Estime !:.Ún,(556 K) y t:.Üv( 1000 K) para el ZnC12. [Digamos R = 2 cal/(mol ·K).] R.- ∆U m=∆Hm=5500 cal/mol ∆U v=∆´H v-RT=28.710 cal/mol – ((2cal/mol*K)*1000K)= 1971.29cal/mol
AUTOEVALUACIÓN 1. Sólo conoce el punto normal de ebullición. R.-Regla de Trouton: ∆´H v (KJ/mol)=0.088 Tb (K) (líquidos no polares) =0.109 Tb (K) (agua, alcoholes de bajo peso molecular)
2. Conoce nada más el punto normal de ebullición y las constantes críticas.
R.- Ecuacion de Chen
3. Tiene los datos de presión de vapor en un rango que abarca p* = 1 atm, y la gráfica semiloga rítmica de p* contra l/ T es una línea recta. R.- ecuacion de Clusius - Clapeyron
La pendiente de la recta es -∆´H v/R (por que la presión de vapor de una sustancia se mide a diferentes temperaturas y se grafica en ln*p contra 1/T) 4. Repita el inciso 3. pero suponga que la gráfica es una cw·va. R.- Ecuación de Clapeyron
La tangente de la curva es -∆´H v/R (por que la presión de vapor de una sustancia se mide a diferentes temperaturas y se grafica en ln*p contra 1/T) 5. Conoce f:..Hv a una temperatura distinta de Tpeb y desconoce las capacidades caloríficas de la sustancia en sus formas líquida y gaseosa.
R.- Correlación de Watson
6. Repita el inciso 5, pero suponga que tiene los datos de capacidad calorífica. R.-
AUTOEVALUACIÓN 1. El calor de solución de un soluto A en agua a 25ºC es -40 kJ/mol A para r = 10 mol H20/mol A y -60 kJ/mol A para dilución i11finita.¿Cuál es la entalpia específica (kJ/mol A) de una solución acuosa de A para la cual r = 10 mol H20/mol A en relación con: a) H20 pura y A a 25ºC? R. - H´= ∆´Hs(r) -40 KJ/mol A = ∆´Hs(r) b) ¿H20 pu ra y una solución acuosa infinitamente diluida de A? R.- H´= ∆´Hs(r) - H´= ∆´Hs (∞) H´= -40KJ/mol-(-60KJ/mol)= 20KJ/molA
2. Si 5 mol de A se disuelven en 50 mol de H20 a 25°C.¿cuánto
calor se desprende o absorbe? (Diga qué sucede observando que Q = !).H para este proceso.) R.- Q=∆H Q= 5mol*(-40KJ/mol)=-200KJ (el calor se desprende)
3. ¿Cuánto calor se desprende o se absorbe si la solución preparada en el inciso 2 se vacía en un gran tanque de agua a 25ºC?
R.- Q=∆H Q= 5mol*(-60-(-40) KJ/mol)=-100KJ (el calor se desprende)
CAPITULO 9: BALANCES EN PROCESOS REACTIVOS
AUTOEVALUACIÓN
1. ¿Qué es el calor de reacción? ¿Qué es el calor estándar de reacción?
R.- El calor de reacción de entalpia de reacción es la diferencia de ( HprodHreact.) Y el calor normal de reacción cuando tanto los reactivos con los producto se encuentran a 1 presión y una T=25 ºC especifica.
2. Suponga que 6.fI; es -40 kJ/11101 para la reacción 2A ---+ B. a) ¿Cuál es el valor de la relación (kJ/mol A que reaccionaron)? H R.-∆Hr=2(-40Kj/mol)=-80kl/mol
b) Diga si la reacción es exotérmica o endotérmica a 25ºC y l atm. R.-La reacción es exotérmica (por el signo negativo)
c) Si los reactivos y productos están a la misma temperatura, ind ique si se debe agregar o reti rar calor del reactor. (Suponga que el balance de energía se reduce a Q = ó.H.) R.- Suponiendo que q=∆h si esta ajo esta condición se suministra calor a fin de mantener constante la temperatura (así la velocidad de reacción) evitando así que disminuya.
d) Si el reactor es adiabático (Q = O), diga si los productos saldrán a mayor o menor tempera tura que la de los reactivos que entran. R.- Sera mayor.
3. C6H14Cl) + C6H14(g) +
19 2
19 02 ---+ 6 C02 +7 H20(1): 2
. ∆Hr; = -4163 kJ/mol
02 ---+ 6 C02 + 7 H20(I): ∆Hr; = -4195 kJ/mol
El estado estándar para los calores de reacción es 25° y I atm. ¿Cuál es la importancia fisica de la diferencia entre los dos valores dados de ∆Hr?
R.-Se sabe que el calor de reacción depende de los estados de agregación de los reactivos y los productos por lo tanto la entalpia es una función de estado,la diferencia entre estos dos valores de reacción debe ser el cambio de entalpia asociado con la vaporización de 1 mol de C6H14 a 25 H ..
4. Escriba la fórmula para ∆Ur(T ) en términos de 6.Ílr(T) para la reacción A(g) + 2B(g) + C(l) ---+ D(g) + 2E(s).
R.- SOLUCION: Usamos la fórmula de energía interna de reacción; nota líquido y gases son despreciables. ∆Ur(T)= ∆Ur(T) –RT(1-3) ∆Ur(T)= ∆Ur(T)-2RT
AUTOEVALUACIÓN 1. ¿Qué es la ley de Hess? R.-Señala el valor del calor de una reacción e s el mismo tanto si esta realiza en una etapa o varias etapas por lo tanto la reacciones se pueden sumar o restar algebraicamente. 2. Suponga que se miden en forma experimental los calores de reacción a 25° para el siguiente con junto de reacciones:
2A + B -> 2C:
!1}Ír1 = -1000 kJ/mol
A + D -> e + 3E:t1ft; 2 = -2000 kJ/mol Utilice la ley de Hess para demostrar que para B + 6 E -+ 2D:
t:,.f¡:= + 3000 kJ/mol
R.- Solución: Multiplico la reacción 2 por 2: 2A+B→2C 2ª+2D→2C+6E H ∆Hr=∆Hr1-2∆Hr2
B-2D→-6E Por lo tanto B+6E→2D
H ∆Hr=-1000-2(-2000) H ∆Hr=3000KJ/MOL esta demostrado
AUTOEVALUACIÓN 1. El calor estándar de la reacción 2 co ..... 2 e + 02 es t::.f! ;= +221 .0 kJ/mol. Utilice este resultado para calcular el calor estándar de formación del CO y verifique su resultado con un valor tabulado. R.-La reacción de esta formación de CO es C+1/2 02 →CO de manera que el calor de formación es igual a -1/2 veces del calor de la reacción dada -110.5kj/mol y este valor coincide con el valor tabulado en la tabla.
2. Si ∆H r es -28.64 kcal/mol para C3H8(1) y -24.82 kcal/mol para C3Hg(g),
¿cuál es la importancia física de la diferencia
entre estos valores? R.- Significa físico es el calor latente de vaporización del propano a 25 HC indicando el calor necesario para vaporizar la unidad de masa de un líquido sin que varié la temperatura: Datos ∆H Hf= -28.64 kcal/mol para ∆H Hf=-24.82 kcal/mol para
C3 H 8
C3 H 8
(liq)
(gas)
3. Considere la reacción CH4 + 2 02 -+ C02 + 2 H20(v) Escriba la fórmula para t::.fl;en términos de los calores estándar de formación de reactivos y pro ductos. R.-
∆H Hr= 1 ∆H Hf CO2 +12 ∆H Hf H20 -1∆H Hf CH4
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