FISICOQUÍMICA MÓDULO I: TERMODINÁMICA SEMINARIO 1

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Enrique López Álvarez
hace 6 años
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1 FISIOQUÍMIA MÓDULO I: TERMODINÁMIA SEMINARIO 1 onceptos Importantes Sistema, alrededores y paredes. Relación entre el tipo de paredes y los procesos que puede surir un sistema. Estados de equilibrio y unciones de estado. alor y trabajo. Aplicaciones del primer principio: capacidad caloríica, energía interna y entalpía. Gases ideales. Formulas básicas E E E H E PV W Q PV i i P i ext dt Q W dv Preguntas onceptuales 1) Son el calor y el trabajo ormas de energía? Qué unidades de calor, trabajo y energía conoce? ) Represente gráicamente en un diagrama P-V las siguientes transormaciones que sure un mol de gas ideal entre los volúmenes V 1 y V : a) Expansión isotérmica reversible. b) Expansión adiabática reversible. c) Enriamento a volumen constante con un posterior calentamiento a presión constante. ) Diga si el siguiente enunciado es correcto y justiique su respuesta: "De acuerdo al primer principio de la termodinámica, la energía de un sistema se mantiene constante". 4) Demuestre que si no se realizan trabajos independientes del cambio de volumen, el calor puesto en juego en procesos a presión constante es igual al cambio de entalpía del sistema, mientras que en procesos a volumen constante el calor es igual al cambio de energía interna. 5) Demuestre que para un gas ideal cp cv R. Es razonable que la capacidad caloríica a presión constante sea mayor que la capacidad caloríica a volumen constante? ) Para la mayoría de los problemas de interés en bioquímica, es posible igualar el cambio de energía de un sistema con su cambio de entalpía. Por qué? 7) Dos sistemas, que se encuentran a la misma P y V, se expanden reversiblemente. Una de las expansiones es isotérmica mientras que la otra es 1

2 P adiabática. Si el volumen inal en ambos casos es el mismo, indique cuál de los dos sistemas tendrá menor presión. Justiique sin hacer uno de ecuaciones. 8) ambia la temperatura de un gas ideal que se expande adiabáticamente contra el vacío?. E 9) Explique un experimento que permita determinar el valor de y otro V T experimento para determinar H indicando el valor que espera obtener P T para ambos casos. Problemas típicos Problema 1 Para cada uno de los siguientes procesos diga si H, E, Q y W son mayores, menores o iguales a cero: a) Un gas ideal se expande adiabáticamente contra una presión externa de 1 atm. b) Un gas ideal se expande adiabáticamente contra el vacío. c) Un líquido se convierte reversiblemente en vapor, a temperatura constante y 1 atm. (No calcular E). d) Un sistema ormado por dos barras de cobre, una inicialmente a 80 y la otra a 0, que se ponen en contacto mutuo en un compartimento térmicamente aislado y se dejan llegar al equilibrio. onsidere que la presión se mantiene constante. Problema Un mol de gas ideal sure las distintas transormaciones que se representan a continuación. uando el sistema pasa del estado A al B a lo largo del camino AB, el sistema absorbe 80 joules de calor y realiza un trabajo de 0 joules. a) uánto calor se pone en juego a lo largo de la trayectoria ADB si el trabajo realizado es de 10 joules? b) uando el sistema vuelve del estado B al A, a lo largo del camino curvo, el trabajo puesto en juego es de 0 joules. El sistema absorbe o cede calor en dicho proceso? uánto? c) ompare las temperaturas de los puntos y B con respecto a A. Justiique su respuesta. B A D V

3 Problema Un mol de gas ideal inicialmente a 7º y 1atm se calentó y se dejó expandir reversiblemente a presión constante hasta que su temperatura inal ue 7º. Si la capacidad caloríica molar V se puede aproximar al valor constante de 5,0 cal/(º. mo en ese rango de temperatura, calcular: a) El trabajo W hecho sobre el gas b) Las variaciones de H y E. c) La cantidad de calor absorbida por el gas. Problema 4 a) alcule Q, W, E y H si 1,5 moles de un gas ideal con c V R sure una transormación adiabática reversible desde un volumen inicial de 5,5m hasta 5,5m. La temperatura inicial es de 00K b) Recalcule las magnitudes asumiendo que parte del mismo estado inicial, llega al mismo volúmen inal pero el proceso es isotérmico reversible. c) El estado inal es el mismo? Problema 5 alcule el calor puesto en juego en cada una de las siguientes transormaciones. Especiique el signo y exprese el resultado en calorías. Hv 40,7kJ mol, H, 7, 01kJ mol., 7 a) 100 mg de agua líquida se calientan desde 0 º hasta 100 º, a 1 atm de presión. b) 100 mg de agua se congelan a hielo a 0 º y 1 atm. c) 100 mg de agua líquida se evaporan a 100º y 1 atm. Problema a) Un mol de agua líquida a 15º se mezcló con 1 mol de agua líquida a 5º en un recipiente adiabático a presión constante. alcule la temperatura inal del sistema. b) Un mol de hielo a 0º se mezcló con 1 mol de agua líquida a 100º en un recipiente adiabático a presión constante. alcule la temperatura inal del sistema. c) Un mol de hielo a 0 se mezcló con 0,5 moles de agua líquida a 100 en un recipiente adiabático a presión constante. alcule la temperatura inal del sistema. Problema 7 Levaduras y otros organismos pueden convertir la glucosa ( H 1 O ) a etanol, ácido acético o dióxido de carbono (oxidación completa). alcule el cambio de entalpía estándar a 98 K, cuando 1 gramo de glucosa se oxida (a) a etanol, (b) a ácido acético, (c) oxidación completa. Las reacciones son: H O ( s) H H OH( O. H H O ( s) H OOH(. O ( s) O O H O(.

4 Problema 8 Estime el cambio de entalpía de las reacciones del problema anterior, sin las mismas son realizadas por bacterias termoílicas a 70º. c P (etano =.4 cal/(º mo, c P (acético)=9.5cal/(º mo y c P (glucosa)=50 cal/(º mo, c P (O )=8.94 cal/(º mo, c P (O )=7.04 cal/(º mo. Problema 9 alcule el cambio de entalpía para la oxidación de ácido pirúvico a ácido acético bajo condiciones estándar. La reacción equilibrada es: HOOOH ( O HOOH( O. Los calores de combustión de ácido pirúvico y ácido acético bajo condiciones estándar son -7 kcal/mol y -07 kcal/mol, respectivamente. Adicionales Problema 10 La enzima catalasa acelera la descomposición del peróxido de hidrógeno por la reacción exotérmica HO ( aq) HO( 1 O. Estime la mínima concentración de H O detectable si se agrega una pequeña cantidad de catalasa sólida a una solución de peróxido en un calorímetro. Suponga que la dierencia de temperatura mínima que se puede detectar en el calorímetro es de 0.0 y que el calor especíico de la solución es de 1 cal/(g). onsidere despreciable la constante del calorímetro. Problema 11 Tres moles de gas ideal son sometidos al ciclo termodinámico reversible ABD de la igura. Sabiendo que V = V B : a) alcular la T,V y P en cada vértice. b) Deducir, a partir del primer principio, las expresiones del trabajo en cada etapa del ciclo. c) alcular de orma directa en cada etapa del ciclo el trabajo, el calor y la variación de energía interna. Problema 1 alcule E y H para de la reacción H 8 (g) + 5 O (g) O (g) + 4 H O( cuando la reacción ocurre a 98K y a 98K. 4

5 Datos: p O(g) =9.4 J/(mol.K), p O(g) = 7 J/(mol.K), p H8(g) = kj/(mol.k), p HO(g) =70.7 J/(mol.K), p HO( = 75.4 J/(mol.K) H 0 (98K), H8 = -18,8 KJ/mol H 0 (98K), O = 9,1 kj/mol H 0 (98K), HO = 85,8 kj/mol Problema 1 alcular el calor de ormación en calorías por mol-gramo del SO (g) a partir de los siguientes datos experimentales de calores normales de reacción: PbO (s) + S (s) + / O PbSO 4 (s) H R º = cal PbO (s) + H SO 4.5 H O( PbSO 4 (s) + H O( H R º = -797 cal SO (g) + H O H SO 4.5 HO H R º = cal Problema 14 a. uál es la temperatura inal de equilibrio cuando 10g de leche a 10º se agregan a 10g de caé a 90º?(suponga las capacidades caloríicas de los dos líquidos son iguales a la del agua y desprecie la capacidad caloríica del recipiente). b. Se usa un litro de agua a 0º para hacer té helado. uánto hielo a 0º se necesita para hacer que la temperatura del té sea de 10º. (el hielo tiene un calor especíico de 0.5 cal/g.) c. En un recipiente aislado, se agregan 150g de hielo a -10º a 00 g de agua a 18. uál es la temperatura inal del sistema? uánto hielo queda? p agua(=75. J/Kmol, p agua(s)=. J/Kmol, H us, HO =.0 KJ/mol Problema 15 Dos moles de gas ideal se somete a una compresión adiabática aumentando su presión de bar a 15 bar desde una temperatura inicial de 0 0. El trabajo puesto en juego en el proceso resulta ser solo 75% respecto al valor esperado si el proceso ocurriese de manera reversible (R=8.1 J/Kmo. alcule la temperatura inal del gas deduciendo la ecuación que le permite obtenerla a partir del primer principio de la termodinámica. 5

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