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Determinación del calor de combustión usando la bomba calorimétrica. Material didáctico
Primera Ley de la Termodinámica. Calor de combustión a volumen constante
Universo: sistema y sus alrededores
www.nist.gov Ecuación energética: ΔU = Q + W
¿Qué es la energía interna?
La energía que tiene el sistema, involucrando a los átomos que lo componen y sus
constituyentes (electrones, protones, neutrones), así como sus comportamientos (vibración,
rotación, translación, etc.) de forma individual o como parte de agregados químicos (retículas,
moléculas, etc.)
ΔU = Q + W ; variación de U
dU = δ Q + δ W ; diferencial exacta = diferencial inexacta + diferencial inexacta
i)
Proceso a V = cte;
δ W = -PopdV;
dV= 0;
δW = 0
dU =
δ QV
U2
integrando:
∫
U1
2
dU = ∫ δ QV
1
QV = ΔU
ii) Proceso a P = cte
dU = δ Q + δ W
V2
δW
=- PopdV; Popα Pgas ( = P )
δW
= - PdV
dU =
δ QP
Q p = U 2 − U1 + P ∫ dV
V1
Q p = U 2 − U1 + P(V2 − V1 ) ; P = P1 = P2
Q p = U 2 − U1 + PV
2 2 − PV
1 1
– PdV
Q p = (U 2 + PV
2 2 ) − (U1 + PV
1 1)
δ QP = dU + PdV; integrando
2
∫ δ QP =
1
U2
∫
U1
Definimos entalpía: H = U + PV
V2
dU +
∫
PdV
para un estado definido:
V1
Q p = H 2 − H1
Q p = ΔH
La termodinámica se encarga del estudio de las
transformaciones y cambios energéticos inherentes a la
materia. La termofísica es la parte de la termodinámica
que estudia los cambios y las transformaciones
energéticas inherentes a la materia en procesos físicos.
La termoquímica es la parte de la termodinámica que
estudia los cambios y las transformaciones energéticas
inherentes a la materia en procesos químicos.
Laboratorio de Termodinámica (1212). Práctica #9.
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Determinación del calor de combustión usando la bomba calorimétrica. Material didáctico
Sistema: reacción química (representada por una ecuación química)
Estado inicial
Estado final
Reactivos
Productos
Ecuación termoquímica
Requisitos:
9 Ecuación química balaceada.
9 Indicar los estados de agregación, tanto de reactivos como de productos: sólido (s),
líquido (l), gas (g), en disolución acuosa (ac), para disolventes no acuosos, por
ejemplo: disolvente orgánico (org).
9 Indicar la energía térmica asociada con la transformación química.
9 Indicar las condiciones de T y P a las que se lleva a cabo la reacción química.
9 Indicar si la reacción es exotérmica o endotérmica, a través del signo
Procesos Químicos
Qreacc < 0
Reacción exotérmica
P=cte.; ΔH r < 0
0
V = cte.; ΔU r < 0
0
Qreacc > 0
Reacción endotérmica
P=cte.; ΔH r > 0
0
V = cte.; ΔU r > 0
0
3
CH 3OH (l ) + O2 ( g ) ⎯⎯
→ CO2 ( g ) + 2 H 2O(l )
2
ΔH r0298.15 K = −726.76kJ / mol
Entalpía de formación
Entalpía de formación es la energía térmica transferida en una reacción química para formar 1
mol de un compuesto a partir de sus elementos en condiciones estándar
C ( grafito) + O2 ( g ) ⎯⎯
→ CO2 ( g )
ΔH 0f 298.15 K = −393.51kJ / mol
Laboratorio de Termodinámica (1212). Práctica #9.
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Determinación del calor de combustión usando la bomba calorimétrica. Material didáctico
Para los elementos a condiciones estándar ΔH f 298.15 K = 0 . Los ΔH f se buscan en tablas
0
0
Entalpías de reacción
reactivos ⎯⎯
→ productos
ΔH rT0 = ∑ ni ΔH 0fTprod − ∑ n j ΔH 0fTreact
i
C6 H 5COOH ( s ) +
j
15
O2 ( g ) ⎯⎯
→ 7CO2 ( g ) + 3H 2O(l )
2
Compuesto
ΔH 0f 298.15 K / kJ/mol1
Ácido benzoico (s)
-384.80
Dióxido de carbono (g)
-393.51
Agua (l)
-285.83
Oxígeno
0
ΔHr0298.15K = (7)(−393.51kJ / mol) + (3)(−285.83kJ / mol) − [ (1)(−384.80kJ / mol)] = −3227.26kJ / mol
Relación entre ΔH r y ΔU r
H = U + PV
ΔH r = ΔU r + Δn( gases ) RT
ΔH r = ΔU r + Δ( PV )
Δn( gases ) = n prod − nreact
para los gases ideales;
Δ( PV ) = Δ(nRT )
ΔU r0298.15 K = ΔH r0298.15 − Δn( gases ) RT
ΔH r = ΔU r + Δ(nRT )
Ver ecuación balanceada:
asumiendo que T = cte
ΔU r0298.15 = −3227260
Δn( gases ) = 7mol −
J
mol
15
1
mol = − mol
2
2
J ⎞
⎛ 1 ⎞⎛
− ⎜ − ⎟ ⎜ 8.314
⎟ ( 298.15K )
molK ⎠
⎝ 2 ⎠⎝
ΔU r0298.15 = −3226020 J / mol
⎛ 1cal
ΔU r0298.15 = (−3226020 J / mol ) ⎜
⎝ 4.184 J
cal
⎞ ⎛ 1mol ⎞
⎟ = −6319.97
⎟⎜
g
⎠ ⎝ 122 g ⎠
1
P. Atkins “Physical Chemistry” 6th Edition, W. H. Freeman and Company, New York, 1998, p.p. 922-929. Laboratorio de Termodinámica (1212). Práctica #9.
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Determinación del calor de combustión usando la bomba calorimétrica. Material didáctico
Balance energético para el caso experimental
Determinación de la constante del calorímetro (bomba calorimétrica a V=cte)
Qganado = −Qcedido
QH 2O + QK = −Qreacc
QH 2O + QK = − [Qácidobenz + Qalambre + QHNO 3 ]
QH 2O + QK = − [Qácidobenz + Qalambre ]
mH 2O cH 2O ΔT + K ΔT = −mácidobenz ΔU ácidobenz − malambre ΔU alambre
K=
−mácidobenz ΔU 0 ácidobenz − malambre ΔU 0 alambre − mH 2O cH 2O ΔT
ΔT
0
ΔU alambre
= −1400
cal
g
Para la muestra problema:
ΔU muestra =
mH 2O cH 2O ΔT + K ΔT + malambre ΔU 0 alambre
−mmuestra
Laboratorio de Termodinámica (1212). Práctica #9.
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