UTN FRRo FISICOQUIMICA. Guía de Problemas. Entropía Energía Libre de Gibbs Función Trabajo Propiedades Molares Parciales

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1 UTN FRRo FISICOQUIMICA Guía de Problemas Entropía Energía Libre de Gibbs Función Trabajo Propiedades Molares Parciales Ing. Analía Verónica Frutos Dra. María Cristina Ciappini 2017

2 ENTROPIA 1. Cuáles de las siguientes condiciones darán lugar a una reacción espontánea a cualquier temperatura? a) ΔH < 0, ΔS < 0 b) ΔH > 0, ΔS = 0 c) ΔH > 0, ΔS > 0 d) ΔH > 0, ΔS < 0 e) ΔH < 0, ΔS > 0 2. Cuál de las siguientes proposiciones es cierta? a) Las reacciones espontáneas siempre tienen ΔH > 0. b) Las reacciones con valores positivos de ΔS siempre son espontáneas a alta temperatura. c) Las reacciones espontáneas siempre tienen ΔG > 0. c) Las reacciones espontáneas siempre tienen ΔH < 0. d) Todas estas proposiciones son falsas. 3. Razonando indicar, para los casos siguientes, si la entropía de los siguientes procesos crece o disminuye: a) la disolución de azúcar en agua; b) la fotosíntesis: 6 CO 2 (g) + 6 H 2 O (l) C 6 H 12 O 6 (s) + 6 O 2 (g); c) la evaporación de agua. 4. Calcule ΔS para convertir 1,00 mol de hielo a 0 ºC y 1,00 atm a 1 mol de vapor de agua a 100 ºC y 0,50 atm. Datos: Utilice 79,7 y 539,4 cal/g como los calores latentes de fusión y vaporización del agua en los puntos normales de fusión y de ebullición, respectivamente, para el agua líquida, para el hielo 0 ºC y 1 atm, y para el agua a 1 atm y 0 ºC y 100 ºC, respectivamente. 5. Dos moles de helio se encuentran inicialmente en un recipiente de 20 L a 5 atm. En otro recipiente de 80 L se encuentran 4 moles de nitrógeno a 3 atm. Estos dos gases son transferidos a un tercer recipiente aislado de 100 L, donde se mezclan y alcanzan una temperatura final de 298,15 K. Calcular la entropía total del sistema en este proceso considerando que los gases se comportan idealmente. Datos: C V He= siendo R=8,314 J/mol K C V N 2 = 20,72 J/mol K

3 6. Un mol de un gas ideal contenido en un pistón se expansiona hasta un volumen doble del inicial, manteniéndose en contacto con una fuente térmica a 400 K. Calcular: a) La variación de entropía del gas, b) La variación de entropía del universo. 7. Diez moles de un gas ideal monoatómico, a 8 atm y 400 K realizan el siguiente proceso cíclico: Se expansiona isotérmicamente hasta cuadruplicar su volumen; Se comprime isobáricamente hasta su volumen inicial; Se calienta isocóricamente hasta su temperatura inicial. a) Trazar el diagrama P-V de este ciclo. b) Hallar el trabajo realizado, el calor absorbido y las variaciones de energía interna y de entropía del gas en el ciclo. c) Hallar el rendimiento del ciclo. 8. Dos kilomoles de un gas ideal diatómico (γ=7/5) evolucionan según un ciclo de Carnot entre 180 C y 40 C. La cantidad de calor absorbida de la fuente caliente es de J y la presión máxima alcanzada es de 10 6 Pa. Dibujar el ciclo en el diagrama P-V y calcular: a) El volumen del gas al finalizar la expansión isoterma. b) El trabajo realizado por el gas en el ciclo. c) La variación de entropía en la compresión isoterma. d) El rendimiento del ciclo. 9. Calcule la variación de entropía de un bloque de hielo de 27 gr a -12 C, cuando pasa reversiblemente al estado de vapor a 115 C, a presión constante. Datos: C P (vapor)=2,08 kj/kg K, C P (agua)=4,18 kj/kgk, C P (hielo)=2,11 kj/kg K, L f =333,55 J/g, L V =2257 J/g 10. Un bloque de cobre de 50 kg a 80 C se deja caer en un tanque aislado adiabáticamente que contiene 120 L de agua a 25 C. Determine la temperatura final de equilibrio y la variación total de entropía. Dato: C P (cobre)=0,095 cal/g C 11. Un recipiente de 2 L tiene una barrera que lo divide por la mitad. Una mitad contiene H 2 y la otra O 2. Ambos gases se encuentran a una temperatura de 25 C y a la presión atmosférica. Se retira la barrera de separación, permitiendo que los gases se mezclen. Cuál es el aumento de entropía del sistema? 12. La capacidad calorífica del sílice (SiO 2 ) sólido es

4 Cp (J/kmol) = 46, ,31*10-3 T - 11,30*10-5 T 2 ; su coeficiente de expansión térmica es 0,3530 x 10-4 K -1 y su volumen molar es de 22,6 cm 3 mol -1. Calcular el cambio de entropía para un mol de sílice para el proceso en el cual el estado inicial es de 1 bar y 200 K y el estado final es de 1000 bar y 500 K. 13. Para el zinc se tienen los siguientes datos y además se conoce que a 6 K, S 6K =0,0194JK -1 mol -1. Obtener S a 100 K. 14. Calcular S cuando se mezcla 1mol de N 2 con 3 moles de O 2 a 25 C y una atmósfera de presión, siendo la presión final de una atmósfera

5 ENERGIA LIBRE DE GIBBS Y FUNCION TRABAJO 15. Sería recomendable (desde el punto de vista de la termodinámica) la obtención de benceno mediante la siguiente reacción a K? 3 C 2 H 2 (g) C 6 H 6 (g) 16. Mediante la fotosíntesis las plantas transforman el dióxido de carbono y el agua en hidratos de carbono, como la glucosa, obteniendo la energía necesaria de la luz solar. Considerando la reacción: 6 CO 2 (g) + 6 H 2 O (l) C 6 H 12 O 6 (s) + 6 O 2 (g) y sabiendo que a 25 C y 1 atm: CO 2 (g) H 2 O (l) C 6 H 12 O 6 (s) O 2 (g) Δ -393,5-285,8-1273, ,6 69,9 212,1 205 En estas condiciones, determinar: La energía solar mínima necesaria para la formación de 9 g de glucosa por fotosíntesis. Se trata de un proceso espontáneo? Razonando, fundamente su respuesta. 17. Para la descomposición del óxido de plata, a 298 K y 1 atm, según la ecuación química: Ag 2 O (s) 2 Ag (s) + O 2 (g) se sabe que ΔH = -30,6 kj y ΔS = 60,2 J K 1. Calcule: a) El valor de ΔG para esa reacción. b) La temperatura a la que ΔG = 0 (Suponer que ΔH y ΔS no cambian con la temperatura y que se sigue estando a 1 atm). c) La temperatura a la que será espontánea la reacción. 18. Un mol de gas ideal realiza un proceso isotérmico desde un estado inicial desde una temperatura 27 y una presión 10 atmosferas, hasta un estado final en el que ocupa un volumen doble del inicial. Hallar los incrementos de energía libre de Helmholtz y de entalpía libre de Gibbs que experimenta el gas en este proceso.

6 19. El punto de ebullición del mercurio bajo la presión normal es 357 C y el calor latente de vaporización 72,78 cal/g. se hace hervir 1 kg de mercurio bajo la presión atmosférica. Determinar : a) el calor absorbido, b) trabajo realizado por el mercurio contra la presión atmosférica suponiendo que es un gas perfecto c) incremento de energía interna d) incremento de entalpía e) incremento de entropía f)incremento de energía libre de Helmholtz g) incremento de energía libre de Gibbs. Dato: Hg = 13,55 kg/l 20. Desarrollar una expresión que permita calcular la variación de la energía libre tipo como función de la temperatura para la reacción de formación del NH 3 : N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g)

7 PROPIEDADES MOLARES PARCIALES 21. A 303 K y 1 bar el volumen de la muestra de benceno (B) y ciclohexano (C) está dado por la expresión, donde es la fracción molar de Benceno. Hállense las expresiones analíticas en función de. Calcúlese, analítica y gráficamente los valores de para la fracción molar 22. A una concentración superior a 0,25M, el volumen de una solución de ClNa en 1000 g de a T=536,67 R es: y siendo Obtener una expresión para el Volumen molar parcial. Expresar el volumen molar aparente ( ) en función de w. Calcular el y el a una concentración de 6% a) Información: b) 23. Para el sistema ácido sulfúrico-agua a T=20 C: Graficar el volumen específico en función de la fracción másica Graficar los volúmenes específicos parciales en todo el entorno de composición Calcular los volúmenes molares parciales de cada especie química en solución para composición 45% y 55% de H 2 SO 4 Graficar la diferencia (V-V ) para todo el entorno de concentraciones