GUÍA DE PROBLEMAS Nº 5

FISICOQUÍMICA I
GUÍA DE PROBLEMAS N° 5
TEMA: CÁLCULO DE VARIACIÓN DE ENTROPÍA EN
TRANSFORMACIONES FÍSICAS Y REACCCIONES QUÍMICAS.
TERCERA LEY DE LA TERMODINÁMICA.
Objetivos direccionales
Que el alumno:
- Aplique la segunda y tercera ley de la termodinámica en la resolución de problemas y
comprenda el significado de la función entropía.
Objetivos operacionales:
Que el alumno:
- Calcule la variación de entropía de sistema, medio y universo en procesos reversibles e
irreversibles
- Calcule cambios de entropía en transformaciones que involucran sólidos y líquidos.
- Realice cálculos de variación de entropía en transformaciones físicas y reacciones
químicas.
- Calcule los cambios de entropía en transformaciones físicas reversibles e irreversibles.
- Calcule la variación de entropía de un proceso de mezclado.
- Obtenga la variación de entropía a una determinada temperatura T, de una reacción
química, a partir de datos de entropía estándar y capacidades caloríficas como función
de la temperatura.
- Calcule el cambio de entropía de una reacción química utilizando los valores de
entropías tabulados.
- Calcular la entropía según la tercera ley de la termodinámica.
- Calcule la entropía de un sistema a partir de datos termoquímicos.
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1.- Utilizando los siguientes datos, calcúlese la variación de entropía molar del
isobutano a 25 °C S90K = 45,23 JK-1 mol-1 , Tf = -140,7°C , ∆Hfus = 105,52 J g-1 , Tb = 7,1 °C , ∆Hvap= 403,76 J g-1
cp(gas) (entre 226-298K) = 83,7 JK-1mol-1
T (K)
cp (J/g K)
93,3
1,0452
105,5
1,1502
118,19
1,2786
139,2
1,9025
166,1
1,9334
179,8
1,9585
210,2
2,0334
253,1
2,1644
2.- De los datos de tabla para el grafito calcular la entropía molar del grafito a 1.500 K.
3.- En una botella Dewar (aislamiento adiabático) se agregan 20 g de hielo a -5 °C a 30
g de agua a 25 °C. Si las capacidades caloríficas son cp(líquido) = 1,0 cal/g°C y
cp(hielo) = 0,5 cal/g°C, ∆H fusión = 80 cal/g.a) ¿cuál es el estado final del sistema?
b) Calcular ∆H para la transformación. c) Calcular ∆S para el sistema, medio y
universo. Justifique su respuesta.
4.- ¿Cuántos gramos de agua a 25°C deben añadirse a un vaso Dewar que contiene 20 g
de hielo a -5°C para satisfacer las siguientes condiciones finales? Calcule el ∆S en cada
caso.
a) La Tf es -2ºC, todo el agua se congela.
b) La Tf es 0°C , la mitad del agua se congela.
c) La Tf es 0°C , la mitad del hielo se funde.
d) La Tf es 10°C , todo el hielo se funde.
Utilizar los datos del problema anterior.
5.- La reacción: C2H5OH(l) + HI(g) → C2H5I(l) + H2O(l) se efectúa a 60 °C para
cambiar la velocidad de la reacción. Utilizando los datos de entropías absolutas y
capacidades caloríficas de tabla y los dados a continuación, calcule ∆Sº a 333K para la
reacción. Considere las capacidades caloríficas constantes en el rango de temperatura
entre 25 ºC y 60 ºC.
S°298K = 50,6 cal K-1 mol-1 para C2H5I(l)
S°298K = 16,71 cal K-1 mol-1 para H2O(l)
cp° = 26,64 cal/ mol K para C2H5OH(l) ; 6,969 cal/ mol K para HI(g) ; 27,5 cal/ mol K
para C2H5I(l) y 17,995 cal/ mol K para H2O (l).
6.- Con los datos de tabla, hallar el valor de ∆rSº , en los alrededores y el universo a 298
K para la siguiente reacción:
N2(g) + O2(g) → 2NO(g)
¿Por qué su resultado es útil para los habitantes de la Tierra?
7.- ¿Cuáles son los valores de los cambios de entropía del sistema, medio y universo,
para el enfriamiento de un mol de O2(g) desde 298 K hasta O2(l) a 90,1 K, si el proceso
se hace (1) reversiblemente? (2) irreversiblemente?, colocando la muestra en hidrógeno
líquido a 13,96 K?.
Suponga ∆H(vap) = 1.630 cal /mol a 90,19 K y cp = 7/2 R para el gas.
8.- El agua sobreenfriada es termodinámicamente inestable y tiende a congelarse y
formar hielo en forma espontánea. Supongamos que hay 2,0 moles de agua
sobreenfriada que se convierten en hielo a -10ºC y 1,0 atm. Calcule los valores de ∆S
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para el sistema, los alrededores y el universo de este proceso. Los valores de las
capacidades caloríficas molares para el agua y para el hielo en el intervalo de
temperatura de 0ºC a -10ºC son 75,3 J/K mol y 37,7 J/K mol respectivamente.
9.- Kemp y Egan [J. Am. Chem. Soc., 60, 1521 (1938)] encontraron que para el propano
a la presión atmosférica ∆Hf = 842,2 cal/mol en el punto de fusión que es de 85,45 K, y
∆Hv = 4487 cal/mol en el punto de ebullición, 231,04 K. Además encuentran que al
calentar el sólido desde 0 K hasta 85,45 K ∆S=9,92 ue, y al calentar el líquido de 85,45
K hasta el punto de ebullición ∆S = 21,06 ue. Para el propano Tc = 368,8 K y Pc = 43
atm. Con estos datos hallar la entropía estándar del propano en estado gas a 231,04 K.
RESPUESTAS
1.-∆S= 289,2 J/K
2.-S° = 8,06 cal/mol grado
3.-∆S del sistema = 0,50 J/grado
4.-a) m de agua= 0,28 g, ∆S = 3 x 10-3 cal/K; b) m de agua = 0,769 g, ∆S = 4,85 x 10-3
cal/K, c) m de agua = 34 g, ∆S = 0,136 cal/K; d) m de agua = 123,3 g, ∆S = 0,397
cal/K.
5.- ∆S°= - 80 J/K mol
6.- ∆rSº = 24,6 J/K mol, ∆Salr= -607 J/K mol, ∆Suniv = -582 J/K mol.
7.- A) ∆Ssist = -110,4 J/K , ∆Sm = 110,4 J/K , ∆Su = 0.
B) ∆Ssist = -110,4 J/K , ∆Sm = 921,9 J/K , ∆Su = 811,4 J/K
8.- ∆Ssist = -41,2 J/K, ∆Sm = 41,8 J/K, ∆Su= 0,6 J/K
9.- S° = 60,42 cal/mol grado.
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