VARIABLES RELACIONADAS CON LA MATERIA Y LA ENERGIA

GASTO: reactivo que se gasta por completo en una reacción, y con éste debemos hacer los cálculos estequiométricos, ya que es el reactivo limitante y por tanto limita la cantidad de producto obtenido.

“-El reactivo limitante- es el reactivo que determina el rendimiento teórico de un producto en una reacción. Es el reactivo que se agota primero en la reacción química”.

Compensación: definición según libro de David Himmenblau: Balance de materia.

Fracción Molar: La fracción molar es simplemente la cantidad de moles de una sustancia específica divididos entre el número total de moles presentes. Esta definición se cumple para los gases, líquidos y sólidos.

fracción en masa (peso) no es más que la masa (el peso) m de la sustancia dividida entre la masa (el peso) total de todas las sustancias presentes.Aunque lo que se pretende expresar es la fracción en masa, en ingeniería suele usarse el término fracción en peso. Matemáticamente, estas ideas pueden expresarse como

Formas de expresar la concentraciones: Concentración es la cantidad de un soluto en una cantidad especificada de disolvente, o de disolución, en una mezcla de dos o más componentes; por ejemplo:

Densidad: La densidad es la razón de la masa por unidad de volumen, por ejemplo, kg/m3 o lb/ft3.Se expresa tanto por un valor numérico como por unidades adecuadas. Para determinar la densidad de una sustancia, es preciso conocer tanto su volumen como su masa. Las densidades de los líquidos y los sólidos no cambian significativamente con la presión en condiciones ordinarias, pero sí cambian con la temperatura.

Densidad relativa: Densidad Relativa la densidad relativa o gravedad específica ρr de una sustancia se define como la razón dé la densidad de esa sustancia entre la densidad del agua a 4 °C.

La densidad relativa (ρr) es un número sin dimensiones ni unidades. EJ: Como la densidad del agua es1000 kg/m3, la densidad relativa de cualquier sustancia será precisamente igual, desde un punto de vista numérico, a su densidad especificada en g/cm3 o 10^3 veces su densidad especificada en kg/m3.Por ejemplo la densidad relativa del plomo es 11,3 y la del alcohol 0,79.

La gravedad API: Es un número a dimensional relacionado inversamente con la gravedad especifica de fluido y es determinada mediante la siguiente relación:

ENERGÍA

Definiciones:

Capacidad para producir trabajo.

Puede adoptar distintas formas convertibles directa o indirectamente unas en otras: Radiación electromagnética, Energía Potencial, Energía Eléctrica, Energía Química (de enlace), Energía Cinética, Calor.

FORMAS DE LA ENERGÍA

Trabajo mecánico (W): Producto del desplazamiento (x) por la componente de la fuerza que actua en la dirección del desplazamiento (Fx).

Energía Potencial (Ep): Capacidad de producir trabajo que posee un sistema en virtud de su posición respecto a un plano de referencia.

Energía Cinética (Ec): Capacidad de producir trabajo que posee un cuerpo en función de su movimiento.

Calor (Q): Energía en transito de un cuerpo que se haya a una temperatura hacia otro que está a menor temperatura con el fin de igualar ambas.

FORMAS DE LA ENERGÍA

Energía Interna (U): Variable termodinámica (Función de estado) indicativa del estado energético de las moléculas constitutivas de la materia. Su valor se fija respecto a una referencia. Está relacionada con otras variables termodinámicas como Energía Libre (G), Entropía (S), Entalpía (H).

Energía Electromagnética: Asociada con la frecuencia de onda. E=hν. Cuando interacciona con la materia toda o parte de esta energía puede ser absorbida. Normalmente su absorción se expresa como un aumento de temperatura.

Energía Nuclear (Ec): Transformación de masa en energía de acuerdo a E=mc2. Desintegraciones nucleares.

ENERGÍA ASOCIADA A UN SISTEMA MATERIAL

Energía cinética (Ec): asociada al movimiento de los cuerpos respecto a un sistema de referencia.

Energía potencial (Ep): asociada a su posición con respecto a un sistema de referencia.

Energía interna ( U ): Asociada a la composición química de la materia, a su estado energético (temperatura, volumen y presión) y a su estado de agregación (estado físico).

* Energía cinética de un sistema material en movimiento, en función de su velocidad:

m = masa del cuerpo

v = velocidad del cuerpo

* Energía potencial de un sistema material en función de su posición en el campo gravitatorio:

m = masa del cuerpo

g = aceleración de la gravedad

h = posición del cuerpo

hgmEp

2

2

1vmEc

* Energía interna de especies químicas ( U ):

Variable o Propiedad Termodinámica asociada a la composición química, temperatura y el estado de agregación de la materia.

Relacionable con otras propiedades termodinámicas, ENTALPIA

Energía debida al movimiento de las moléculas con respecto al centro de masas del sistema, al movimiento de rotación y vibración, a las interacciones electromagnéticas de las moléculas y al movimiento e interacciones de los constituyentes atómicos de las moléculas.

PVHU

PVUH

VdpPdVdHdU

FORMAS DE TRANSFERENCIA DE ENERGÍA

Sin transferencia de materia

Interpretación macroscópica del intercambio de energía entre los cuerpos para sistemas cerrados simples ( no hay transferencia de materia entre sus fronteras):

T y P : Parámetros de estado del sistema

SISTEMAEnergíainterna

ALREDEDORES

Intercambio de energía:

calor y trabajo

Sistemas abiertos: Además de las formas anteriores la asociada a la materia que se transfiere.

Con transferencia de materia

Son formas de energía en tránsito, entre el sistema y sus alrededores.

* Trabajo (W), energía en tránsito debido a la acción de una fuerza mecánica.

* Calor ( Q ): tránsito resultado de la diferencia de temperaturas entre el sistema y sus alrededores.

En un sistema cerrado su balance neto es 0, en un sistema abierto, su balance neto afecta a la energía interna del sistema según el balance global sea positivo o negativo.

Calor y trabajo

Balances de energía

Sistemas donde se pueden aplicar:

- Una planta química completa:

-P. Ej. Una refinería. Complejo síntesis de amoniaco

-

Síntesis del HNO3

– 2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)

– 2NO2(g) + H2O(l) HNO2(ac) + HNO3(ac)

– 3HNO2(ac) HNO3(ac) + 2NO(g) + H2O(l)

– 4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)

T altas (800ºC) Catalizador Rodio-Platino

Sistemas donde se pueden aplicar:

- Un proceso de una planta: p.ej. Fabricación de olefinas

Síntesis del H2SO4 (Método de contacto)

– S(l) + O2(g) SO2(g)

– SO2(g) +O2(g) SO 3(g) reacción catalizada por V2O5 T=400ºC, P=2atm

Reacción reversible: η = 88%– SO 3(g) + H2O (l) H2SO4 (ac)

Sistemas donde se pueden aplicar:

- Un proceso de una planta

La capacidad calorífica es la mayor o menor dificultad que presenta un cuerpo para experimentar cambios de temperatura bajo suministros de calor.

La capacidad calorífica se puede expresar como la cantidad de calor requerida para elevar en 1ºC, la temperatura de una determinada cantidad de sustancia. 

Es una propiedad extensiva, es decir que depende de la masa que contenga el cuerpo, por ejemplo el agua de una piscina contendrá mayor capacidad calorífica que el agua servida en un vaso de agua.

CAPACIDAD CALORÍFICA

El calor específico es una propiedad intensiva, no depende de la materia, y es un valor fijo para cada sustancia.

Así, el agua tiene un valor fijo de calor específico, el cual debemos entenderlo como la cantidad de calor que puede absorber una sustancia: 

cuanto mayor sea el calor específico, mayor cantidad de calor podrá absorber esa sustancia sin calentarse significativamente.

CALOR ESPECÍFICO

EjemploEl calor específico de agua es:

Mientras que la capacidad calorífica de 60 g de agua será:                                                   

Capacidad Calorífica VS Calor Específico

La entalpía es la cantidad de energía calorífica de una sustancia.

En una reacción química, si la entalpía de los productos es menor que la de los reactantes se libera calor y decimos que es una reacción exotérmica. Si la entalpía de los productos es mayor que la de los reactantes se toma calor del medio y decimos que es una reacción endotérmica.

ENTALPÍAH= U+ PV

ΔH= ΔU+ Δ(PV)

El cambio de entalpía se denomina ΔH y se define como: ΔH = ΔHproductos - Δhreactantes

SIGNO DE ENTALPÍA DE UNA REACCIÓN

• Las reacciones endotérmicas, absorben calor, tienen ΔH positivos.

• Las reacciones exotérmicas, desprenden calor, tienen ΔH negativos.

La entalpía de formación (ΔHf0) es la variación de energía

calorífica en la reacción de formación de un mol de un compuesto a partir de sus elementos en sus fases estándar en condiciones de presión y temperatura estándar ambientales (TPEA), que son temperatura ambiente de 298 K o (25 ºC) y presión de 100 kPa (∼ 1 atm.).

POR EJEMPLO:

ENTALPIA DE FORMACIÓN

/molkCcal 30.36- H (s) AgClo f

½ N2 (g) + O2 (g) NO2 (g) ΔH = +7.93kcal

Kcal/mol 93.7 H (g)No

2 Of

Ag (s) + ½ Cl2 (g) AgCl (s) ΔH = - 30.36 kcal

Reactivos ProductosaA+Bb cC+Dd

ΔHf=∑np* ΔHfp - ∑nR* ΔHfR

ΔHf=c*ΔHf(C) + d*ΔHf(D) – (a*ΔHf(A)

+ b*ΔHf(B)

ΔHf=∑entalpia de formacion de los productos

ENTALPÍA DE UNA REACCIÓN

Donde a, b, c y d son coeficientes Estequiométricos de la reacción

De esta manera se calcula la Entalpía de una reacción mediante las entalpías deFormación.

Obtener mediante entalpías de formación, la entalpía de la reacción de combustión del Benceno C6H6(L) con el Oxígeno O2:C6H6(L) + 15/2 O2(g) 6 CO2 (g) + 3 H2O

(L)

PROBLEMA

ΔHf(C6H6)=82,8 kj/molΔHf(CO2)=-393,5 kj/molΔHf(H2O)=-285,5 kj/mol

ΔH(C6H6)= 6*ΔHf(CO2)+ 3*ΔHf(H2O)- (1*ΔHf(C6H6)+15/2*ΔHf(O2))

ΔH(C6H6)= 6*-393,5 kj/mol+3*-285,5 kj/mol-(1*82,8 kj/mol+15/2*0,0)

ΔH(C6H6)= -3300 kj/mol

Conclusión: La reacción es fuertemente exotérmica por cuanto desprende del

sistema hacia el medio un poder calorífico de 3300 kj/mol