la caloría - Departamento de Química General

Termoquímica
Química General II
2011
1era Unidad
Termodinámica

Es el estudio
científico de la
conversión del
calor a otras
formas de energía
Energía

Es la capacidad de
efectuar un trabajo.
Algunas formas de
manifestarse de la energía

Energía radiante: Proviene del sol y es la principal fuente
de energía de la tierra.

Energía térmica: Es la energía asociada al movimiento
aleatorio de los átomos y las moléculas.

Un a medida de esta energía es la temperatura pero son
conceptos distintos.

Energía Potencial: Es la energía disponible en función de
la posición de un objeto.

Energía Cinética: Es la energía asociada al movimiento de
un objeto.
La temperatura es una medida de la energía
térmica
temperatura = energía térmica
900C
mayor energía térmica
400C
Energía Química

Es la energía que está
almacenada en las
unidades estructurales
de las sustancias.

En una reacción
química, la energía
química de los enlaces
se libera, se almacena
o se convierte en otras
formas de energía.
Interconversión de las
distintas formas de energía

En principio todas
las formas de
energía se pueden
convertir unas en
otras.
Calor

Es la transferencia de
energía térmica entre
dos cuerpos que están
a diferentes
temperaturas.

Las reacciones
químicas absorben o
producen energía en
forma de calor.
Calor

Sus valores dependen
de la ruta que sigue el
proceso y varían
respecto a ella.

El calor no es
propiedad de un
sistema, se manifiesta
sólo durante un
proceso (durante un
cambio).
Primera Ley de la
Termodinámica

Se basa en el principio de
conservación de la energía:

La energía se puede convertir de una
forma a otra, pero no se puede crear
ni destruir.
Termoquímica

Es el estudio de los cambios de calor en las
reacciones químicas.

Para poder estudiar los cambios de calor es
necesario definir:

Sistema: Es la parte específica del
universo que es de interés.

Alrededores: Es el resto del universo,
externo al sistema.
Sistemas termodinámicos
Paredes
Sistema
Entorno
Universo
Q, W, m
Tipos de sistema

Sistema abierto: Puede intercambiar
masa y energía (generalmente en forma de
calor) con los alrededores.

Sistema cerrado: Permite la transferencia
de energía (calor) pero no de masa con los
alrededores.

Sistema aislado: Impide la transferencia
de masa o energía con los alrededores.
Tipos de sistemas
abierto
Intercambio: masa y energía
cerrado
aislado
energía
nada
6.2
Calor y procesos químicos

Una reacción química que cede calor,
es decir que transfiere energía
térmica hacia los alrededores es un
proceso exotérmico.
2H2(g) + O2(g)
g 2 H2O(g) + energía
Calor y procesos químicos

Una reacción química que requiere
que los alrededores le suministren
energía (absorbe calor) es un proceso
endotérmico.

2 H2O(g) + energía g 2H2(g) + O2(g)
Unidades de calor

Inicialmente se utilizó la caloría (cal).

La caloría es la cantidad de calor necesaria para
elevar la temperatura de un gramo de agua, de 14.5 a
15.5 ºC a una presión de 1 atm.

Siendo el calor la transferencia de un tipo de energía,
también se utiliza el Joule (J).

El Joule es el trabajo realizado cuando una fuerza de
un newton actúa a través de una distancia de un
metro.
Unidades de calor
1 cal = 4.184 J
 1 Kcal = 1000 cal
 1 BTU (unidad térmica británica) =
252 cal.
 1 BTU = 1054 J

Temperatura

Es una función que permite medir el estado
térmico de un cuerpo, utilizando un
instrumento que entra en equilibrio térmico
con ese cuerpo y midiendo en una escala
arbitraria.

Escalas:



Celsius (ºC)
Fahrenheit (ºF)
Kelvin (K)
Interconversiones

TºC = 5/9 (TºF – 32)

TºF = 9/5TºC + 32

TK = TºC +273

Ejemplos, puntos de fusión y
ebullición del agua.
Calorimetría

Es la medición de
los cambios de
calor.
Calor específico de una
sustancia

Es la cantidad de calor que se
requiere para elevar un grado Celsius
la temperatura de un gramo de la
sustancia.

Sus unidades son:

J/(gºC) o cal/(gºC)
Calor específico

Tiene un valor
característico para
cada sustancia
Capacidad calorífica

Es la cantidad de calor que se
requiere para elevar un grado celsius
la temperatura de determinada
cantidad de sustancia.

Sus unidades de medida son:

J/ºC o cal/ºC
Para poder distinguir entre
ambas:

Propiedades extensivas: Dependen
de la cantidad de materia (por
ejemplo, la masa y el volumen)

Propiedades intensivas: NO
depende de la cantidad de materia
(densidad, temperatura)
Para poder distinguir...

El calor específico es una propiedad
intensiva.

La capacidad calorífica es una
propiedad extensiva.
Relación entre calor específico
y capacidad calorífica.

A través de la siguiente expresión:
C= cxm
Donde:
C es la capacidad calorífica
c es el calor específico
m es la masa de la sustancia en gramos.
Problema

Un trozo de plata de 362 gramos tiene
una capacidad calorífica de 85.7 J/ºC.
Cuál es el calor específico de la plata
en Joules y en calorías?
Cantidad de calor

La cantidad de calor que se absorbe o se libera en un
proceso en particular está dada por:
q = CΔt
Que es igual a:
q = mceΔt
Donde Δt es el cambio de temperatura:
Δt = tfinal - tinicial
Cantidad de calor

El valor de q es positivo para
procesos endotérmicos (absorben
calor de los alrededores)

El valor de q es negativo para
procesos exotérmicos (liberan calor
de los alrededores).
Problema

Calcule el valor liberado cuando se
enfrían 850 g de oro de 50ºC a 40ºC,
en calorías. El calor específico del
oro es 0.129 J/gºC.
• Respuesta: -1,096.5 J o se liberan
1,096.5
Problema

Qué cantidad de calor se necesita
para calentar 50 g de cobre desde
20ºC hasta 70ºC? Calor específico del
cobre = 0.389 J/gºC.
• Respuesta: 232.4 cal = 972.5 J
Problema

1 Kilocaloría de calor eleva la
temperatura de 200 g de hierro en
46.7 ºC. Calcular el calor específico
del hierro.
• Respuesta: 0.107 cal/gºC
Problema

Si se suministran 6,401.5 J a 45 ml de
agua a 14ºC, ¿cuál será la
temperatura final?
• Respuesta: 48ºC
Problema

Cuánta energía se libera cuando se
enfrían 50 g de plomo desde 150ºC
hasta 50ºC, si su calor específico
molar promedio en este intervalo de
temperatura es 6.42 cal/molºC? El
peso atómico del plomo es 207.2

Respuesta: -155 cal
Cambios de estado físico de
la materia

Son procesos en los cuales las
sustancias cambian de un estado
físico a otro y que se caracterizan por
ocurrir a temperatura constante.

Estos cambios se nombran según
los estados físicos involucrados.
Cambios de estado físico de
la materia.
Sólido a Líquido : Fusión
 Líquido a Sólido: Solidificación
 Líquido a Gas: Evaporación
 Gas a Líquido: Condensación líquida
 Gas a Sólido: Condensación sólida
 Sólido a Gas: Sublimación

Cambios de estado físico de
la materia

Punto de ebullición:

Temperatura en la que hay un equilibrio
entre la fase líquida y la fase gaseosa.

Se utiliza normalmente de líquido a gas, de
los contrario se llama punto de
condensación.

H2O(l) → H2O(g) a 1 atm es de 100ºC
Cambios de estado físico de
la materia

Punto de fusión:

Temperatura en la que hay un equilibrio
entre la fase sólida y la fase líquida.

Se utiliza normalmente de sólido a líquido,
de los contrario se llama punto de
congelación o solidificación

H2O(s) → H2O(l) a 1 atm es de 0ºC
Cambios de estado físico de
la materia

Para que una sustancia cambie de un estado físico a
otro completamente, se requiere de:

Una cantidad de calor de tal manera que las
partículas de la sustancia aumenten su energía
cinética.

O liberar esa cantidad de calor de tal manera que las
partículas de la sustancia disminuyan su energía
cinética.

Siempre a temperatura constante, el calor absorbido
o liberado no produce un cambio de temperatura.
Calor de fusión

Es la cantidad de calor necesaria para
fundir un gramo de un sólido sin
variación de temperatura.

Cada sustancia tiene su propio calor
de fusión.

Dato útil: qf agua = 80 cal/g
Calor de vaporización

Es la cantidad de calor necesaria para
evaporar un gramo de un líquido sin
variación de temperatura.

Todos los líquidos tienen sus propios
calores de vaporización.

Dato útil: qvap agua = 540 cal/g
Calor de sublimación

Cantidad de calor necesaria para que
una sustancia pase del estado sólido
al gaseoso directamente a una
temperatura determinada

Se suele representar por qs
• CO2(s) → CO2(g)
Calor en cambio de estado
físico

En general se utiliza la expresión
Q = mqx
Para evaluar la energía o calor necesarios para que una
sustancia experimente un cambio de estado físico.
Donde:
Q = calor en el proceso
m = masa en g de la sustancia
qx = calor de cambio de estado
Calor de combustión

Es la cantidad de calor que se
produce cuando un gramo (cantidad
de masa) o un mol (cantidad de
materia) de una sustancia sufre una
reacción de combustión.
Sus unidades son: cal/g o cal/mol
 También se utiliza: J/g
o J/mol

Calor de combustión

En la combustión del acetileno:
+ 2598 KJ/mol
Note que el calor liberado aparece en el lado de
los productos.
Poder calorífico de un
combustible

Es la cantidad de calor (en calorías o
en Joules) que un combustible genera
cuando se quema una unidad de
masa del mismo.
Problema

La combustión de 5 g de carbón aumentó la
temperatura de 1 Kg de agua desde 10ºC
hasta 47ºC. El calor específico del agua es
de 1 cal/gºC. Calcule el poder calorífico del
carbón en Kcal/g.
• Respuesta: 7.4 Kcal/g
Problema

Suponiendo que es utilizable el 50% del
calor, ¿cuántos Kg de agua a 15 ºC podrán
calentarse hasta 95 ºC, quemando 200
litros de metano CH4, medidos a
temperatura y presión estándar? El calor
de combustión del etano es 213 Kcal/mol.
• Respuesta: 11,888.06 g o 11.9 Kg de agua
Problema

El calor de combustión del etano C2H6 es 373
Kcal/mol. Suponiendo que sea utilizable el 60% del
calor, ¿cuántos litros de etano, medidos a T.P.E.,
tienen que ser quemados para suministrar el calor
suficiente para elevar la temperatura de 80 Kg de
agua, de 20ºC a 90ºC?

Ojo: interpretar adecuadamente el porcentaje.
• Respuesta: 560.45 L de etano.
Problema

La combustión de 2 g de antracita liberan
61,086 J. ¿Qué cantidad de este carbón se
necesita para calentar 10 litros de agua
desde la temperatura ambiente (20ºC)
hasta el punto de ebullición (a la presión de
una atmósfera), suponiendo que el proceso
es 100% eficiente? La densidad del agua a
20ºC se puede considerar como 1 g/mL.
• Respuesta: 109.6 g de antracita
Gráficas de cambio de
estado en serie

Son gráficas con las siguientes
características:




En el eje y va la temperatura
En el eje x va el calor que se añade
Una pendiente indica que la adición de calor
produce un aumento de temperatura y no
hay cambio de estado.
Una recta horizontal indica que hay cambio
de estado a temperatura constante.
Gráficas de cambio de
estado en serie

Graficar temperatura contra calor de el proceso en el
cual 1000 g de agua sólida pasan de -20 ºC hasta 120
ºC a 1 atm de presión.

Considerar los siguientes datos:
 Punto de fusión: 0ºC
 Punto de ebullición: 100ºC
 c agua sólida = 0.5 cal/gºC
 c agua líquida = 1.0 cal/gºC
 c agua gaseosa = 0.5 cal/gºC
 qf del agua = 80 cal/g
 qv del agua= 540 cal/g
Problema

Calcular la cantidad de calor necesaria para
transformar 201 g de mercurio sólido a la
temperatura de su punto de fusión de -39°C, en
vapor a su punto de ebullición a 357°C.



Calor específico del mercurio: 0.033 cal/g°C
Calor de fusión del mercurio:2.8 cal/g
Calor de vap. del mercurio: 67.8 cal/g