GUIA DE ACTIVIDADES DE TERMODINAMICA Y TERMOQUIMICA Material redactado por el Prof. Lic. Eduardo R. Godoy 1)- Complete los siguientes cuadros realizando los cálculos correspondientes. Use las cifras significativas que corresponda. a- Medidas de cantidad de materia Sustancia Argón m (g) m (kg) m (mg) m (lb) n (mol) Nº part. Oxígeno Cloruro de bario Ioduro de hidrógeno 3metilpentano b- Medidas de volumen V (m3) 3,15 V (dm3) V (cm3) V (mL) V(L) 2,3 10-2 6700 20,0 9,75 104 c- Medidas de densidad ( kg m-3) 790 ( g cm-3) ( g dm-3) ( kg dm-3) ( lb pulg-3) 22,5 1,430 1,13 104 7,767 10-5 d- Medidas de fuerza N 0,345 dyn kp lb fuerza 7,67 104 6,8 4,889 e- Medidas de energía J kJ erg kgm cal kcal kWh atm dm-3 ft-p BTU 9,472 2,30 1,5 104 0,218 5000 6,55 2400 456,9 7,08 10-2 154 f- Medidas de temperatura °C 398 °F K 23 650,7 2)- Dados los siguientes sistemas, dibújelos y diga cuál es su entorno, sus límites, si el sistema es monocoponente o multicomponente, simple o complejo y si es abierto cerrado o aislado. Si falta algún dato en cualquier ítem, agréguelo y haga su análisis: a- Iodo sólido en equilibrio con sus vapores a una determinada temperatura y presión, en un recipiente que no intercambia calor ni trabajo de volumen. b- Iodo en un recipiente que no intercambia calor ni trabajo de volumen y que se calienta mediante una resistencia eléctrica dentro de él hasta llegar a otra temperatura superior a presión constante. c- Cilindro de un metal paramagnético apoyado en una base al cual se le aplica un cierto campo magnético. d- Helio e hidrógeno gaseoso a temperatura y presión constante dentro de un pistón, con libre intercambio de calor, a presión constante. e- Recipiente de paredes rígidas y adiabáticas en donde se produce una reacción entre nitrógeno gaseoso y oxígeno gaseoso para producir amoníaco gaseoso, a una determinada temperatura y presión. 3)- Para cada caso de la consigna 1)-, analice cuáles son las variables independientes y cuáles las dependientes. 4)- Para cada caso de la consigna 1)-, analice si cada sistema dado se encuentra en equilibrio mecánico, equilibrio químico, equilibrio térmico y equilibrio termodinámico. 5)- Un cierto individuo transporta una valija de masa 2,00 kg. Se desplaza 15,0 m por una superficie horizontal, luego sube 30,0 m por una escalera que se eleva a 45,0 ° con respecto a la horizontal y, por último, baja por un ascensor 10,0 m. ¿Qué trabajo hay involucrado en cada etapa y cuál es el valor del trabajo total? Rta.: 0 J; 416 J; 196 J; 612 J 6)- Se deja caer una esfera de 5,000 kg desde la parte superior del edificio Kavanagh (C.A.B.A.), a 120,0 m de altura. Considerando que no hay rozamiento con el aire, calcule: a- La energía potencial, la energía cinética y la energía mecánica en dicha parte superior y al llegar al suelo. b- ¿Con qué velocidad llega al suelo? c- ¿En qué lugar de la trayectoria se igualan las energías cinética y potencial? (Dato adicional: g (C.A.B.A.) = 9,800 m s-2) Rta.: Parte superior: 5880 J, 0J, 5880 J; suelo: 0 J, 5880 J, 5880 J; 48,50 m s -1 ; mitad de la trayectoria. 7)- Se lanza hacia arriba un cuerpo de 120 g con una velocidad inicial de 1,20 m s -1. a- Si no se consideran fuerzas de rozamiento, calcule el trabajo de las fuerzas conservativas de las fuerzas no conservativas y total cuando el cuerpo llega a la altura máxima, cuando volvió a su origen y al finalizar el proceso completo. b- Analice (sin sacar valores concretos) cómo estas magnitudes pueden cambiar considerando el rozamiento con el aire. Rta.: a- Desde el inicio hasta altura máxima: WFC = -0,0864 J, WFNC =0 J, W = -0,0864 J; desde altura máxima hasta el origen: WFC = 0,0864 J, WFNC =0 J, W = 0,0864 J; luego del proceso completo: WFC = WFNC = W = 0 J 8)- Demuestre que la regla de la cadena de Euler se cumple en la Ecuación General del Gas Ideal. 9)- Demuestre que si el valor del coeficiente de expansión térmica () vale T-1 y el coeficiente de compresibilidad isotérmica (T) vale P-1, se está en presencia de un gas ideal. 10)- En una cierta situación se define una escala absoluta de temperatura 'tal que la diferencia entre el punto triple del agua y el cero absoluto es de 500 unidades. Si la temperatura del punto de fusión del agua, definida en la escala absoluta Kelvin es 273,15 K, calcule dicho valor en la escala '. Rta.: 499,98 unidades 11)- Utilizando un termómetro de gas a volumen constante se determina la temperatura absoluta de un sistema. Dicho aparato, con diferentes cantidades de gases, se pone en contacto con agua en el punto triple (PPT) y con el sistema (P), obteniéndose diversas lecturas de presión: PPT (mm Hg) P (mm Hg) 1500,00 2530,20 1000,00 1686,79 760,00 1288,14 300,00 504,03 100,00 169,09 Calcule la temperatura del sistema n la escala de los gases ideales, realizando un promedio aritmético de los resultados obtenidos. Rta.: 161,82 K 12)- Calcule la capacidad calorífica de un cuerpo de vidrio, al que si se le entrega 90000 cal, varía su temperatura en 82,90 °C. Rta.: C= 1086 cal °C-1 13)- Un cuerpo de latón sufre una variación de temperatura de –45,0 °C cuando cede 40,5 kcal. Calcule su capacidad calorífica. Rta.: C= 900 cal °C-1 14)- ¿Qué cantidad de calor hay que entregarle a un trozo de azufre para que su temperatura varíe en 80,0 °F, si su capacidad calorífica es de 13,125 cal °C -1. Rta.: Q= 350 cal 15)- ¿Qué variación de temperatura sufre un cuerpo de cobre de capacidad calorífica 1,00 103 cal °C-1, si cede al medio 3,50 103 cal? Rta.: T= -3,50 °C 16)- Se realizaron dos experimentos paralelos con un mol de un gas ideal monoatómico y a una misma variación de temperatura, pero uno a volumen constante y otro a presión constante. Se sabe que CV= (3/2)R y CP= (5/2)R. a)- ¿Qué relación existe entre QV y QP?; b)- ¿Qué resultado da la diferencia entre CP y CV? Rta.: QV= (3/5) QP; R 17)- A presión constante de 1,00 atm, se enfrían 250 cm3 de etanol (C2H5OH) desde 60,0 °C a 10,0 °C. Calcule la cantidad de calor necesaria para realizar este proceso. (Datos adicionales: CP etanol= 111,78 J mol-1 K-1; etanol= 0,790 g cm-3). Rta.: -2,40 104 J 18)- Calcule la capacidad calorífica molar a volumen constante del nitrógeno, sabiendo que si 8,320 moles del gas a 215,00 °C se le aplican una cantidad de calor de 3,406 kcal, su temperatura aumenta a 573,15 K. Rta.: 4,816 cal mol-1 °C-1 19)- ¿Cuántas calorías se necesitan para calentar 250 g de agua, desde 40 °C hasta 100 °C? (cagua= 1,0 cal g-1 °C-1). Rta.: Q= 1,5 104 cal 20)- ¿Cuántas calorías se necesitan para calentar 1,00 kg de petróleo, desde 323,15 K hasta 207 °F? (cpetróleo= 0,500 cal g-1 °C-1). Rta.: Q= 2,36 104 cal 21)- ¿Cuántas calorías se pierden si M g de agua se enfrían de 2 T °C a T °C? (c agua= 1 cal g-1 °C-1). Rta.: Q= -MT cal 22)- ¿Qué cantidad de calor es necesario aplicar a un cubo de aluminio de 2,00 kg para que su temperatura suba 100 °C? (c Al= 0,217 cal g-1 °C-1). Rta.: Q= 4,34 104 cal 23)- ¿Cuántas kilocalorías se reciben cuando 300 g de oro se enfrían de 190 °C a 15 °C? (cAu= 0,031 cal g-1 °C-1) Rta.: Q= -1,6 kcal 24)- ¿Qué cantidad de calor (en kcal) debe suministrarse a 500,0 cm3 de agua de mar (= 1,025 g cm-3) para que su temperatura aumente de 280,15 K a 194,0 °F? (cagua de mar= 0,950 cal g-1 °C-1). Rta.: Q= 40,41 kcal 25)- Para que 1,0 kg de cobre aumente su temperatura en 10 °C, se necesitan 920 cal. Calcule el calor específico de dicho metal. Rta.: c= 0,092 cal g -1 °C-1 26)- Para enfriar 15,0 dm3 de etanol (el alcohol que se encuentra en los botiquines) de 60,0 °C a –2,0 °C, se necesitan perder –433,473 kcal. Calcule su calor específico. (Dato adicional: etanol= 0,79 g cm-3). Rta.: c= 0,59 cal g -1 °C-1 27)- Calcule que variación de temperatura sufren 1800 g de oro (cAu= 0,03100 cal g-1 °C-1) cuando se le entregan 20,00 kcal. Rta.: T= 358,4 °C 28)- Calcule que variación de temperatura sufren 2,9 dm3 de agua de mar (= 1,025 g cm-3 y c= 0,95 cal g-1 °C-1) cuando esta entrega 1520 cal. Rta.: T= -0,54 °C 29)- A 915 g de bismuto (cBi= 0,0300 cal g-1 °C-1), que están a 25,0 °C, se le hacen entrega de 5000 cal. ¿Cuál es su temperatura final? Rta.: T= 207 °C 30)- 425 cm3 de agua se encuentran a 4,00 °C. Se le entregan 1,50 kcal. ¿Cuál es su temperatura final (en °F)? (Datos adicionales: (agua= 1,0 g cm-3, cagua= 1,0 cal g-1 °C-1) Rta.: T= 46 °F 31)- Una libra de mármol (cmármol= 0,190 cal g-1 °C-1) se encuentra a 920 K. Si previamente recibió 24560 cal, ¿cuál fue su temperatura inicial? (Dato adicional: 1 lb 453,6 g). Rta.: T0= 362 °C 32)- Se tienen 5,0 103 m3 de petróleo (petróleo= 0,750 g cm-3, cpetróleo= 0,500 cal g-1 °C-1) a 25 °C. Si esta sustancia entregó previamente 1,30 108 kcal, ¿cuál fue su temperatura inicial? Rta.: T0= 94 °C 33)- Una esfera de hierro (cFe= 0,108 cal g-1 °C-1 ) se encuentra a 300,15 K. Cuando se le entrega 30,0 kcal, su temperatura sube a 176 °F. ¿Cuál es la masa de la misma? Rta.: m= 5,24 kg 34)- Al enfriarse una cierta cantidad de etanol, por una liberación de 2,00 104 cal, sufre una variación de temperatura de –40,0 °C. Calcule el volumen de etanol empleado en la experiencia. (Datos adicionales: etanol= 0,790 g cm-3, cetanol= 0,590 cal g-1 °C-1) Rta.: V= 670 cm3 35)- Una esfera de estaño (Sn= 7,30 g cm-3, cSn= 0,0550 cal g-1 °C-1) se encuentra a 226,15 K. Cuando se le entrega 50,0 kcal, su temperatura sube a 176 °F. Calcule el diámetro de dicha esfera. Rta.: d= 15,3 m 36)- La cantidad de calor necesaria que hay que entregar a un cuerpo 1 de masa M para elevar su temperatura a 20 °C es Q. ¿Cuál es la cantidad de calor que hay que entregar a otro cuerpo 2 de la misma sustancia, pero de masa M/2, para elevar su temperatura al triple. Rta.: Q2= 3 Q1/ 2 37)- En un erlenmeyer hay 300 cm3 de éter etílico (éter etílico= 2,59 g cm-3) a 10,0 °C, y la capacidad calorífica de esa sustancia es 435,12 cal °C -1. Si se le entrega 1,00 kcal, a)- ¿Cuál es el calor específico de dicha sustancia?; b)- ¿Qué temperatura final alcanza? Rta.: céter etílico= 0,560 cal g-1 °C-1; T= 12,3 °C 38)- Al ceder calor un cilindro macizo de zinc (cZn= 0,0930 cal g-1 °C-1) se registró un descenso de temperatura de 25,0 °C con respecto a la temperatura inicial. Sabiendo que la capacidad calorífica de este cuerpo es 2,35 103 cal °C-1, a)- ¿Qué masa de zinc se posee?; b)- ¿Cuántas calorías cedió? Rta.: m= 25,3 kg; Q= -58,8 kcal 39)- Un cierto cilindro macizo de plomo, de 2,50 cm de radio, tiene una capacidad calorífica de 150 cal °C-1. Se le aplican 2,00 103 cal, alcanzando una temperatura de 400,15 K. Calcule: a)- Temperatura inicial del sistema; b)- Altura del cilindro. (Datos adicionales: Pb= 11,30 g cm-3; cPb= 0,0300 cal g-1 °C-1). Rta.: T0= 114 °C; altura= 22,5 cm 40)- Complete la siguiente tabla. Saque conclusiones. Sustancia m (g) CO2 H2 Ar O2 N2 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 cV (cal g-1 °C-1) 1,56 10-1 7,40 10-2 cP (cal g-1 °C- CV (cal °C-1) CP (cal °C-1) 1 ) 0,184 120,00 173,85 6,15 0,217 7,85 0,244 8,60 41)- Se tienen dos cubos de igual volumen, uno de zinc y otro de plata. Ambos aumentaron su temperatura en 20,0 °C luego de recibir cada uno ciertos procesos por separado. Justifique cuál de los dos cubos absorbió más calor y calcule cuántas veces más. (Datos adicionales: Zn= 7,10 g cm-3; cZn= 0,0930 cal g-1 °C-1 ; Ag= 10,50 g cm-3; cAg= 0,0550 cal g-1 °C-1). Rta.: el de zinc, que absorbió 1,14 veces más 42)- Un sistema cerrado recibe del medio ambiente 3000 cal en forma de calor y realiza un trabajo igual a 30,00 kJ. Calcule U. ¿Aumentó o disminuyó la energía interna del sistema? Rta.: -17,45 kJ 43)- Un sistema cerrado da al medio ambiente 10 kJ en forma de calor y recibe del medio ambiente un trabajo de 30 atm dm3. Calcule U. ¿Aumentó o disminuyó la energía interna del sistema? Rta: -7,0 103 J 44)- Conteste V o F justificando claramente basándose en resultados termodinámicos generales. a- Un proceso es reversible sí y sólo si es cuasiestático. b- Una expansión gaseosa contra el vacío no puede ser reversible. c- En un proceso adiabático en donde el sistema entrego trabajo al medio, la energía interna siempre disminuye. d- Si un líquido sufre una compresión adiabática, su energía interna permanece constante. e- En un proceso cíclico el trabajo neto surge de la diferencia entre la variación de la energía interna y la cantidad de calor intercambiada. Rta.: F; V; V; F; F 45)- Se tienen 300 dm3 de un gas ideal a 25,0 °C y se lo comprime irreversiblemente a la mitad de su volumen inicial bajo una presión externa de 1 atm. a- Calcule el valor del trabajo (en kJ) intercambiado entre el gas y el medio ambiente. b- ¿Cuál de los dos realizó dicho trabajo? c- Repita el punto a- si el proceso se desarrolla de manera reversible e isotérmica. Rta.: 15,2 kJ 46)- 3,00 moles de un gas ideal, encerrados en un cilindro a 38,0 °C, se expanden irrevesiblemente a presión externa constante de 1,00 atm hasta ocupar un volumen de 1,50 105 cm3. a- Calcule el valor del trabajo (en erg y en cal) intercambiado entre el gas y el medio ambiente. b- ¿Cuál de los dos realizó dicho trabajo? c- Repita el punto a- si el proceso se desarrolla de manera reversible e isotérmica. Rta.: -7,45 1010 erg -1,78 103 cal 47)- 1250 dm3 de helio que se comporta idealmente se expanden contra el vacío hasta alcanzar el triple del volumen inicial. ¿Qué trabajo realiza el gas? Justifique. Rta.: no realiza trabajo 48)- Un recipiente cilíndrico contiene dióxido de azufre que se comporta como gas ideal. Un pistón de 300 cm de diámetro se desplaza de manera reversible medio metro y se sabe que el medio realiza de esta manera un trabajo de 135 J. ¿Qué presión se ejerce sobre el contenido del recipiente? (Superficie del pistón = r2). Rta.: 573 Pa 49)- El ácido acrílico tiene un P.F. de 12,3 °C y un P.E. de 141,9 °C y su densidad es 1,062 g cm-3. En el valor de su P.E., a 760 mm Hg de presión, su volumen es 2,45 m3. Calcule el trabajo efectuado al vaporizarse el ácido si se parte de 2,00 kg de sustancia. Rta.: 248 kJ 50)- Un recipiente cilíndrico contiene 520 cm3 de argón que se comporta idealmente. Luego de un cierto trabajo de 1000 J, que el sistema realiza reversiblemente sobre el medio, bajo una presión de 30,5 atm, se logra una expansión gaseosa. Calcule el volumen final que ocupa el gas. Rta.: 844 cm3 51)- Cuando en un recipiente ocupado con monóxido de carbono, que se comporta idealmente, se aplica una presión de 2,55 dm3 atm, el trabajo realizado por el medio ambiente sobre dicho recipiente tiene un valor de –5000 cal. Si el volumen final es de 3,00 dm3, calcule cuántas veces se comprimió dicho gas con respecto al volumen inicial. Rta.: 1,03 veces 52)- Se tienen 1,20 g de helio en un volumen de 5,00 dm3 y a una presión de 0,500 atm (estado A). Se los quiere pasar a un estado D, con un volumen de 3,00 dm3 y 2,500 atm. Calcule el valor de U para pasar de A a D por dos caminos diferentes: i- Pasando por un estado intermedio B (5,00 dm3, 2,500 atm); ii- Pasando por un estado intermedio C (3,00 dm3, 0,500 atm). Dibuje en hoja milimetrada el gráfico P (atm) vs. V (dm3) que represente los procesos, con las cuatro isotermas correspondientes. Saque conclusiones. (Datos adicionales: CV= 12,47 J K-1 mol-1; CP= 20,79 J K-1 mol-1). Rta.: 760 J 53)- Se tiene un mol de un gas que se comporta idealmente en un estado A (a presión P y ocupando un volumen V) y se lo quiere llevar a un estado D (a presión 2P y ocupando un volumen 2V). Calcule el valor de U para pasar de A a D por dos caminos diferentes: iPasando por un estado intermedio B (a presión P y ocupando un volumen 2V); ii- Pasando por un estado intermedio C (a presión 2P y ocupando un volumen V). Dibuje el gráfico P vs. V que represente los procesos, con las cuatro isotermas correspondientes. Saque conclusiones. (Datos adicionales: C V= (3/2) R; CP= (5/2) R). Rta.: (9/2) P V 54)- Idem el problema anterior, pero con los siguientes datos de presión y volumen para cada estado: Estado A B C D Rta.: (15/2) P V Presión P P 3P 3P Volumen V 2V V 2V 55)- Idem el problema anterior, pero con los siguientes datos de presión y volumen para cada estado: Estado A B C D Presión P P 2P 2P Volumen V 3V V 3V Rta.: (15/2) P V 56)- En un cierto experimento se tiene agua líquida a 1,00 atm de presión. Se midió el coeficiente de expansión térmica y se logró una expresión empírica de la misma que es: (K-1) = -0,0821 10-3 + 1,62 10-5 T con T medida en °C. a- Calcule el trabajo de volumen efectuado al calentar medio litro de agua desde 0,00 °C hasta 4,00 °C; b- Repita el cálculo para medio litro de gas ideal a 1,00 atm. Rta.: 0,0101 J; -0,742 J 57)- Dada la siguiente tabla: Sustancia Hierro (s) Tetracloruro de carbono (l) (K-1) 0,354 10-4 12,4 10-4 T (Pa-1) 0,589 10-6 90,5 10-6 Calcule la presión que debe aplicarse para volver a su volumen inicial a dichas sustancias, desde 10,0 °C hasta 50 °C a 1,00 atm. Luego repita el cálculo para un gas ideal. Rta.: 2,41 103 atm (Fe); 549 atm (CCl4); 1,14 atm (g.i.) 58)- Se tienen 4,400 kg de dióxido de carbono a 40,00 °C y 1,000 atm. Calcule la variación de entalpía cuando dicho sistema se calienta a 400,15 K. (Dato adicional: C P (dióxido de -1 -1 carbono) = 33,87 J mol °C ). Rta.: 294,7 kJ 59)- Calcule la variación de temperatura ocurrida cuando 3,56 moles de hidrógeno producen, luego de cierto proceso, una variación de entalpía de 3,88 kJ. (Dato adicional: C P -1 -1 (hidrógeno) = 6,954 cal mol °C ). Rta.: 37,5 °C 60)- ¿Qué masa de etanol (C2H5OH) se usó en un cierto experimento a presión constante de 760,0 mm Hg si hubo una variación de entalpía de 1000 J y una variación de temperatura de 40,0 °C? (Dato adicional: C P(etanol)= 2,43 J mol-1 °C-1). Rta.: 473 g 61)- Se tienen 400 g de oxígeno a 40,0 °C. a)- Calcule la cantidad de calor que se necesita para que su temperatura se eleve a 200,0 °C a volumen constante (c V= 0,157 cal g-1 °C-1); b)- Idem a)- pero a presión constante (cP= 0,217 cal g-1 °c-1); c)- Averigüe cuántas calorías de diferencia se han necesitado para realizar el trabajo de aumento de volumen. Rta.: QV= 1,00 104 cal; QP= 1,39 104 cal; W= 3,84 103 cal 62)- En un recipiente hay 222,5 dm3 de hidrógeno (= 0,0900 g/ dm3) a 300 °C. a)- Calcule la cantidad de calor que se pierde para que su temperatura descienda un 80,0 %, a volumen constante (cV= 2,40 cal g-1 °C-1); b)- Idem a)- pero a presión constante (cP= 3,48 cal g-1 °C1 ); c)- Averigüe cuántas calorías de diferencia se han necesitado para realizar el trabajo de disminución de volumen. Rta.: QV= -1,15 104 cal; QP= -1,67 104 cal; W= -5,18 103 cal 63)- Se queman 2,320 g de ácido benzoico (C6H5COOH) en una bomba calorimétrica a volumen constante. En consecuencia, la temperatura del agua aumenta 2,21 °C. Si la cantidad de agua que rodea la calorímetro es 5000 g y la capacidad calorífica del aparato es igual a 1638,5 cal °C-1, calcule el calor molar de combustión el ácido benzoico. Rta.. 771,5 kcal 64)- 8,292 g de manzana se queman en una bomba calorimétrica a volumen constante. En consecuencia, se produce un incremento de temperatura del agua de 20,15 °C a 22,35 °C. Se sabe que la capacidad calorífica de la bomba calorimétrica es 1,65 kJ °C -1 y que el calor de combustión de la manzana es –2,000 kJ g-1. Calcule que masa de agua porta el calorímetro (cagua= 4,184 10-3 kJ g-1 °C-1). Rta.: 1407 g 65)- 2,50 102 cm3 de solución de ácido clorhídrico 0,915 N se mezcla con 2,50 10 2 cm3 de solución de hidróxido de sodio 0,915 N en un calorímetro a presión constante de capacidad calorífica 3852 J °C-1. La temperatura inicial de ambas soluciones es la misma e igual a 25, 30 °C y la temperatura final de 27,40 °C. Calcule el cambio de calor de la reacción de neutralización. Suponga que los calores específicos de las soluciones son iguales a la del agua, 4,184 J g-1 °C-1 y que ambas soluciones tienen igual densidad: 1,085 g cm-3. Rta.: -56,2 kJ mol-1 66)- 200,0 cm3 de solución de ácido clorhídrico 0,6150 N se mezclan con 200,0 cm3 de solución de hidróxido de litio 0,6150 N en un calorímetro a presión constante, de capacidad calorífica 500,0 J °C-1. Sabiendo que el calor de neutralización del proceso es –56,20 kJ mol-1 y que ambas soluciones tienen la misma temperatura inicial, 22,56 °C, calcule la temperatura final de la solución resultante. Suponga que los calores específicos de las soluciones y las densidades son iguales a las del agua: 1,000 g cm-3 y 4,184 J g-1 °C-1 respectivamente. Rta.: 25,74 °C 67)- Determine el trabajo realizado en la expansión isotérmica de tres moles de un gas ideal a 25,0 °C si: a- El gas se expande irreversiblemente en una etapa desde 5,00 atm a 1,00 atm, contra una presión externa constante de 1,00 atm; b- Hay cuatro etapas de expansiones irreversibles, desde 5,00 atm a 1,00 atm, reduciendo progresivamente la presión externa en incrementos de 1,00 atm; c- Hay una expansión en infinitas etapas, haciendo que la presión externa sea un infinitésimo inferior a la presión externa en cada etapa sucesiva. Aparte represente cada caso en un diagrama de presión en función del volumen y señale el área que indica el trabajo hecho por el sistema contra el medio. Rta.: -5,94 103 J; -9,52 103 J; -1,19 104 J 68)- De un cierto gas ideal se consideran tres puntos de equilibrio, en donde la primera coordenada indica presión (en bar) y la segunda coordenada volumen (en dm3): A = (5,1), B = (2,4) y C = (2,1). Calcule el trabajo realizado por el sistema cuando: a- Pasa de A a B en dos etapas, isocóricamente de A a C e isobáricamente de C a B; b- Pasa rectilíneamente de A a B. Aparte represente cada caso en un diagrama de presión en función del volumen y señale el área que indica el trabajo hecho por el sistema contra el medio. Rta.: -600 J; -1,05 103 J 69)- 28,0 g de dióxido de carbono que se comportan idealmente se encuentran en equilibrio a 3,50 atm y ocupan un volumen de 8,00 dm3. Se enfrían isocóricamente hasta una presión de 2,00 atm. A continuación se calientan a presión constante hasta que alcanzan un cierto volumen final tal que en una compresión isotérmica hay retorno al estado inicial. Calcule el trabajo neto realizado en el ciclo. Aparte represente cada caso en un diagrama de presión en función del volumen y señale el área que indica el trabajo hecho por el sistema contra el medio. Rta.: 375 J 70)- En el siguiente gráfico se representa al proceso cíclico reversible que sufre un mol de un cierto gas ideal con tres estados de equilibrio identificados: 1 2 y 3. Sabiendo que el proceso de 1 a 2 es isotérmico, el de 2 a 3 es isobárico y el de 3 a 1 es isocórico, de la expresión del trabajo total del proceso cíclico. De acuerdo a la expresión obtenida, ¿el sistema hace trabajo sobre el medio o el medio sobre el sistema? Aparte represente cada caso en un diagrama de presión en función del volumen y señale el área que indica el trabajo hecho por el sistema contra el medio. (Nota: “e” es el conocido número irracional) Rta.: Trabajo positivo igual a -2 R T (e – 2) 71)- Para comprimir adiabáticamente 60,0 g de neón, con una temperatura inicial de 25,0 °C, se ha suministrado al sistema 920 calorías en forma de trabajo. ¿Cuál es la temperatura final del gas? Rta.: 128 °C 72)- Se tiene un mol de oxigeno gaseoso ocupando un volumen de 5,00 dm3 a una presión de 12,0 atm. Dicho gas experimenta un cambio reversible hasta encontrarse bajo una presión de 10,0 atm. Calcule W, Q, U y H si el cambio procede: a- A temperatura constante; b- A volumen constante; c- Adiabáticamente. Aparte represente cada caso en un diagrama de presión en función del volumen y señale el área que indica el trabajo hecho por el sistema contra el medio. Rta.: T constante V constante Adiabaticam. W (J) -1,11 103 0 -773 Q (J) 1,11 103 -2,53 103 0 U (J) 0 2,53 103 -773 H (J) 0 -3,55 103 -1,08 103 73)- Escriba las siguientes reacciones dados sus valores de H0: Tipo de reacción Formación de cloruro de plata (s) Combustión completa del benceno (l) (C6H6) Combustión completa de la sacarosa (s) (C12H22O11) Formación de óxido de zinc (s) Formación de tetróxido de dinitrógeno (g) Combustión completa del propano (g) (C3H8) Formación de carbonato de magnesio (s) Formación de acetileno (g) (C2H2) Formación de carbonato de calcio (s) Formación de óxido de aluminio (s) H0 (kJ mol-1) -127,04 -3268,0 -5644,0 -347,98 9,6600 -2200,0 -1112,9 227,00 -1206,9 -1669,8 74)- ¿Qué cantidad de calor se le aplica a 100 kg de plomo que se encuentra a 200 °C para vaporizarlos totalmente a presión constante? (Datos adicionales: P.E. (Pb)= 1525 °C; CP(Pb)= 26,0 J mol-1 °C-1; Hvap (Pb)= 1,52 105 J mol-1). Rta.: 8,99 107 J 75)- Se desea evaporar 100 cm3 de mercurio (Hg= 13,6 g cm-3) a presión constante, que inicialmente se encuentran a una temperatura de 40,0 °C. Se sabe que P.E.(Hg)= 356,5 °C, CP (Hg)= 6,633 cal mol-1 °C-1 y Hvap (Hg)= 71556 cal mol-1 y. Calcule la cantidad de calor que debe entregarse a la sustancia para cumplir el proceso. Rta.: 498 kcal 76)- 1 kg de hidrógeno se encuentra a 20,00 °F y se lo licua totalmente en un proceso a presión constante. Si la sustancia cedió 861,0 kcal, calcule el Hlic (H2) (en J mol-1). (Datos adicionales: P.E.(H2)= 20,45 K, CP hidrógeno= 6,954 cal mol-1 °C-1). Rta.: -45,38 J mol-1 77)- Se tienen 2,54 moles de benceno a 40,5 °C (P.F. (Benceno) = 5,48 °C) y se los quiere llevar a 120 °C (P.E. (Benceno) = 80,1 °C). Calcule la variación de entalpía total del proceso. (Datos adicionales: CP(Benceno líquido) = 13,6 J mol-1 °C-1 ; CP(Benceno gaseoso) = 81,6 J mol-1 °C-1; Hvap benceno = 30,8 kJ mol-1). Rta.: 5,27 104 J 78)- 126 g de agua se encuentran a -150 °C y se desea llevarlos a 150 °C. Calcule la variación de entalpía total del proceso. (Datos adicionales: CP sol = 37,7 J mol-1 °C-1 ; CP liq = 75,3 J mol-1 °C-1; CP gas = 36,4 J mol-1 °C-1; Hfus = 6,02 kJ mol-1 ; Hvap = 40,7 kJ mol-1). Rta.: 152 kJ 79)- Se tienen 2,0 moles de éter etílico a 20 °C. Por un cierto proceso, en donde la variación de entalpía total es de 76024 J, se llega a un valor de temperatura de 50 °C. Calcule el punto de ebullición de la sustancia. (Datos adicionales del éter etílico: C P liq = 172 J mol-1 °C-1 ; CP gas = 108 J mol-1 °C-1 ; P.F. = -116 °C; Hvap = 26 kJ mol-1). Rta.: 35 °C 80)- Dadas las siguientes reacciones prediga el signo del trabajo y diga si es realizado sobre el sistema o por el sistema: a)- 2 N2 (g) + 5 O2 (g) 2 N2O5 (g) b)- H2 (g) + F2 (g) 2 HF (g) c)- CaCO3 (s) CaO (s) + CO2 (g) realizada aplicando calor d)2 KHF2 (s) F2 (g) + H2 (g) + 2 KF (s) realizada por electrólisis de sal fundida e)- 4 FeS2 (s) + 11 O2 (g) 2 Fe2O3 (s) + 8 SO2 (g) Rta.: W < 0; W = 0; W > 0; W > 0; W < 0 respectivamente 81)- Cuando se forman dos moles de amoníaco a partir de hidrógeno y nitrógeno en un cierto recipiente, este recibe del medio ambiente un trabajo de 4991 J. ¿A qué temperatura se realiza la reacción? Rta.: 27,01 °C 82)- Para que se produzca cierta reacción química a 3 102 °C en un cierto recipiente, este entrega al medio ambiente 4,765 kJ en forma de trabajo mecánico. ¿Qué variación en el número de moles se produce en dicha reacción? Rta.: 1 mol 83)- Calcule el trabajo involucrado en las siguientes reacciones a -10,0 °C, a 25,0 °C y a 200,0 °C. Para cada caso explique si el sistema realiza trabajo sobre el medio o el medio es el que lo realiza sobre el sistema: a- Obtención de fluoruro de selenio (VI) gaseoso a partir de fluor gaseoso y selenio sólido. b- Descomposición mediante calor del nitrato plumboso sólido en óxido de plomo (II) sólido, dióxido de nitrógeno gaseoso y oxígeno gaseoso. c- Descomposición del óxido de cloro (V) gaseoso en dióxido de cloro gaseoso y oxígeno gaseoso. Aparte, grafique para cada caso trabajo (en valor absoluto) en función de la temperatura. ¿Qué dato obtiene de la pendiente del gráfico? Rta: W (J): -4,38 103, -4,96 103 y -7,87 103; 1,09 104, 1,24 104 y 1,97 104; 6,56 103, 7,44 103 y 1,18 104 respectivamente 84)- El hidrógeno gaseoso se combina con yodo sólido formando ioduro de hidrógeno gaseoso, con un valor de H0f= 25,94 kJ mol-1. Si 2,500 moles de hidrógeno reaccionan con 2,500 moles de yodo, a 25,00 °C y 1,000 atm, para formar yoduro de hidrógeno, calcule: a)- El trabajo realizado en contra de una presión externa de 1,000 atm; b)- El valor de U de esta reacción. Suponga que la reacción se realiza hasta completarse. Rta.: 6,197 kJ; 19,74 kJ 85)- La reacción denominada “thermite” es una reacción usada en química industrial, dentro de la llamada “aluminotermia” y se la usa para soldar hierro. Se combina óxido ferroso-férrico con aluminio y la ecuación que se produce es: 8 Al (s) + 3 Fe3O4 (s) 4 Al2O3 (s) + 9 Fe (s) H° = -3347,6 kJ / mol reac Con esta reacción se han logrado temperaturas de alrededor de 3000 °C, ya que la gran cantidad de calor producida tarda en disiparse al medio. Averigüe cuánto calor se libera en la reacción de 25,00 g de aluminio con 50,00 g de óxido ferroso férrico. Rta.: 240 kJ liberados 86)- El hidrógeno es un combustible de los denominados “limpios”, ya que en su combustión se libera agua, de acuerdo a la siguiente reacción: H2 (g) + ½ O2 (g) H2O (l) H° = -285,8 kJ / mol agua producida Suponga que un vehículo construido especialmente consume 20000 kJ para recorrer 25,00 km de distancia. Calcule la capacidad del tanque de combustible si se desea que la autonomía de dicho vehículo alcance para ir de Buenos Aires a Mar del Plata (404,00 km aproximadamente). Suponga que la temperatura es de 25,00 °C y que el combustible se almacena a 85,00 atm. Rta.: 325,3 L 87)- Use los valores de tablas de H°f para hallar la entalpía de reacción: abcdefghij- BaCO3 (s) BaO (s) + CO2 (g) 2 HCl (g) + F2 (g) 2 HF (g) + Cl2 (g) CO2 (g) + 2 H2O (l) CH3OH (l) + ½ O2 (g) 2 NO2 (g) N2O4 (g) CH3COCH3 (l) + O2 (g) CO2 (g) + H2O (l) B2O3 (s) + 3 Mg (s) 3 MgO (s) + 2B (s) 4 KClO3 (s) 3 KClO4 (s) + KCl (s) 2 ZnS (s) + 3 O2 (g) 2 ZnO (s) + 2 SO2 (g) MnO2 (s) + 2 C (graf) Mn (s) + 2 CO (g) C12H22O11 (s) + 12 O2 (g) 12 CO2 (g) + 11 H2O (l) Rta.: 267,1; -444,9; 726,4; -58,04; -432,5; -541,8; -171,5; -882,4; 299,9; -5644 kJ / mol respectivamente 88)- Calcule H°f de la sustancia pedida, según los datos de tablas de H°f de las otras sustancias intervinientes en la reacción y del valor de Hreac: a- Oxido plumboso (s, amarillo), que al combinarse con monóxido de carbono (g) forma plomo (s) y dióxido de carbono. Hreac = -65,69 kJ / mol reac. b- Nitrato de amonio (s) que por calor se descompone en monóxido de dinitrógeno (g) y agua (g). Hreac = -35,95 kJ / mol reac. c- Carburo de silicio (s), formado cuando se combinan calentándose óxido de silicio (IV) (s) y carbono (graf). Otro producto de la reacción es monóxido de carbono (g). Hreac = 624,6 kJ / mol reac. d- Oxido de calcio (s), producto de la descomposición térmica del carbonato de calcio (s). Otro producto de la reacción es dióxido de carbono (g). Hreac = 177,8 kJ / mol reac. e- Ioduro de hidrógeno (g), que al combinarse con fluor (g) da como productos fluoruro de hidrógeno (g) e yodo (s). Hreac = -589,0 kJ / mol reac. Rta.: H°f (kJ / mol) = -217,3; -366,1; -13,70; -635,6; 25,90 respectivamente 89)- El perclorato de potasio sólido oxida al carbono de variedad grafito a dióxido de carbono gaseoso y dando, además, cloruro de potasio. Usando datos tabulados de H°f, calcule el Hreac en kJ / g de perclorato de potasio reaccionante. Rta.: -5,700 kJ / g 90)- Cuando se oxida dióxido de azufre gaseoso con el aire (considere únicamente O 2) en presencia de un catalizador, se produce trióxido de azufre gaseoso. Si reaccionan 4,00 moles de dióxido de azufre con 2,00 moles de oxígeno a 1,00 atm y 25,0 °C (no es exactamente la temperatura del trabajo, pero considérela para el problema), calcule el trabajo involucrado y diga si el sistema lo hace sobre el medio o es al revés. Luego calcule el valor de U. Use tablas de entalpía de formación estándar para calcular la entalpía de reacción. Rta.: -4,95 kJ; -193 kJ 91)- Calcule usando la ley de Hess la variación de entalpía de formación de hidróxido de magnesio. Use las siguientes reacciones: REACCION H2 (g) + ½ O2 (g) H2O (l) Mg (s) + ½ O2 (g) MgO (s) MgO (s) + H2O (l) Mg(OH)2 (s) H° (kJ mol-1) -285,8 -601,8 -37,06 Rta.: -924,7 kJ mol-1 92)- El azufre elemental tiene dos variedades alotrópicas: rómbica y monoclínica. Usando la ley de Hess calcule la variación de entalpía de transición entre azufre de variedad rómbica al de variedad monoclínica. Use las siguientes reacciones: REACCION S (romb) + O2 (g) SO2 (g) S (monocl) + O2 (g) SO2 (g) Rta.: 0,3000 kJ mol-1 H° (kJ mol-1) -296,1 -296,4 93)- Calcule Hºreac (en kJ mol-1) para la reacción: PCl5 (g) + H2O (g) → POCl3 (g) + 2 HCl (g) Use las siguientes reacciones: REACCION P (blanco) + 3/2 Cl2 (g) + ½ O2 (g) → POCl3 (g) H2 (g) + Cl2 (g) → 2 HCl (g) PCl5 (g) → P (blanco) + 5/2 Cl2 (g) H2O (g) → H2 (g) + ½ O2 (g) Hº (kJ mol-1) -558,5 -184,6 374,9 241,8 Rta.: -126,4 kJ mol-1 94)- Calcule Hºf del bromuro de hidrógeno gaseoso usando las siguientes reacciones: REACCION KBr (aq) + ½ Cl2 (g) → KCl (aq) + ½ Br2 (aq) ½ H2 (g) + ½ Cl2 (g) → HCl (g) HCl (g) → HCl (aq) KOH (aq) + HCl (aq) → KCl (aq) + H2O (l) KOH (aq) + HBr (aq) → KBr (aq) + H2O (l) Br2 (g) → Br2 (aq) HBr (g) → HBr (aq) Hº (kcal mol-1) -11,5 -22,0 -17,5 -13,7 -13,7 -1,00 -19,9 Rta.: -8,60 kcal mol-1 95)- Calcule Hºf de la acetona (C3H6O (l)) a partir de los siguientes datos: Hºf (CO2 (g)) = -393,5 kJ mol-1 ; Hºf (H2O(l)) = -285,8 kJ mol-1 y Hºcomb (C3H6O (l)) = -1791 kJ mol-1. Rta.: -246,9 kJ mol-1 96)- Estime el calor de reacción para las siguientes reacciones en fase gaseosa. Use las tablas de energía de enlace: a)b)c)d)e)f)g)h)- H2 (g) + F2 (g) 2 HF (g) O2 (g) + 2 F2 (g) 2 OF2 (g) 3 Cl2 (g) + I2 (g) 2 ICl3 (g) C4H10 (g) + Br2 (g) C4H9Br (g) + HBr (g) C2H2 (g) + O2 (g) CO2 (g) + H2O (g) C2H4 (g) + Cl2 (g) C2H4Cl2 (g) C3H4 (g) + H2 (g) C3H6 (g) C3H4 (g) + 2 H2 (g) C3H8 (g) Rta.: H°reac en kJ / molreac: -544,0; 80,00; -374,0; -38,00; -247,0; -153,0; 1489 y 1360 respectivamente
