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Fundiciones y Refinerías

Asignatura de V Semestre Ing. Claudia Araya B.

Clase 3 de abril

• Entrega temas para el trabajo

• Termodinámica

• Ejercicios

TERMODINÁMICA

ENERGÍA

La primera Ley de la Termodinámica

La primera Ley de la Termodinámica

• “En un sistema de masa constante, la energía no se crea, ni se destruye, sino que se transforma de una forma a otra”

▫ ΔU = q – w

• Contenido Calorífico o Entalpía (H = U + PV)

▫ ΔU = q (V cte)

▫ ΔU = q – PΔV (P cte)

Ub- Ua = q – P(Vb-Va)

q = (Ub+PVb) – (Ua+PVa)

q = Hb – Ha = ΔH

ΔH = ΔU + PΔV

DEFINICIÓN DE SISTEMA

TRABAJO

PRIMERA LEY….

PRIMERA LEY PARA VOLÚMENES DE CONTROL

CICLO DE RANKINE BÁSICO

CICLO DE RANKINE BÁSICO IDEAL

Capacidad Calorífica

• C = q/ΔT ▫ ¿Calor sensible o Calor latente?

• V Cte ; Cv = dU/dT

• P Cte ; Cp = dH/dT

▫ Cp – Cv = R

(Cte R de los gases ideales es R = 0,082057 atm*L/(mol*°K)

Capacidad Calorífica Molar = C´= nC (prop extensiva)

Calor de Reacción

• Es el entregado o absorbido cuando los reactantes reaccionan completamente para producir un compuesto

• Puede ser expresado por mol de reactante o de producto

Calor de formación

• Es el desarrollado o absorbido cuando un mol del compuesto de forma a partir de sus elementos constitutivos

• Su valor depende de la T°, P°, E° qcco de los reactantes y de los productos, es el “calor de formación estándar”

• Se tabula a P = 1 atm; T = 25°C (298 K) => H°

Ejemplo

• Para NiO, el calor de formación estándar a 25°C es -57.500 cal/mol ▫ Endotérmica? O Exotérmico?

• Esto significa que 57.500 cal es la cantidad de calor

producido cuando un mol de Ni a 25°C y a 1 atm de presión reacciona con medio mol de O2 a 25°C y 1 atm para formar un mol de NiO a 25°C y 1 atm

• Ni + ½ O2 = NiO (1) • ΔH° 298 (1) = H° 298, <NiO> – H° 298, <Ni> - ½ H°298, <O2>

• ΔH° 298 (1) = H° 298, <NiO>

Por convención cero para elemento, diferente para compuesto

Calor de combustión

• El calor de combustión de una sustancia es la variación de la entalpía que se produce cuando un mol de la misma se quema con oxígeno en forma completa

Calor de solución

• Cuando una sustancia de disuelve en otra, se producirá un cambio de entalpía, es el llamado calor de solución y depende de la concentración de aquella

Ejemplo

• Calcular el calor de reacción estándar a 25°C (298 K) y 1 atm de:

▫ 3 FeO + 2 Al = Al2O3 + 3 Fe (2)

▫ Datos:

ΔH 298, <FeO> = -63,3 Kcal /Mol (-264,84 KJ/Mol)

ΔH 298, <Al2O3> = -400 Kcal/Mol (-1673,6 KJ/Mol)

Ley de Hess

• Establece que el cambi0 calorífico durante una reacción química es el mismo ya sea que tenga lugar en uno o varios pasos, con tal que la temperatura y la presión o el volumen, permanezcan constantes

Ejemplo

• Calcule el calor de formación estándar del WO3 sólido a partir del W sólido y del O2 gaseoso a 25°C y 1 atm si;

▫ W + O2 = WO2; ΔH° 298 = -134 Kcal

▫ 3 WO2 + O2 = W3O8; ΔH° 298 = -131,5 Kcal

▫ W3O8 + ½ O2 = 3 WO3; ΔH° 298 = -66,5 Kcal

Variación de la entalpía con la T°

• La mayoría de las reacciones cinéticas no se desarrollan con la celeridad suficiente a 25°C, como para que los cambios sean completos en un periodo mensurable de tiempo

• ΔH° T2 = ΔH° T1 + T1∫T2 ΔCp dT

• ΔH° T2 = ΔH° T1 + T1∫T2 [∑Cp,productos -

∑Cp,reactante]dT

Ejemplo

• Calcule el calor de formación estándar del PbO a partir de Pb y O2 a 227°C (500K) según los sgtes datos:

▫ ΔH° 298, <PbO> = -52,4 Kcal/mol

▫ Cp, <PbO> = 10,6 + 4 x 10-3 T cal/(grado)(mol)

▫ Cp, <Pb> = 5,63 + 2,33 x 10-3 T cal/(grado)(mol)

▫ Cp, (O2)= 7,16 + 1 x 10-3 T – 0,4 x 10-5 T -2 cal/(grado)(mol)

Ejemplo 2

• Calcular el calor de formación estándar del PbO en estado sólido, a partir de Pb líquido y O2 gaseoso a 527°C (800K).

El punto de fusión del Pb es 327°C (600K) y su calor latente de fusión es 1,15 Kcal/mol (4,81 KJ/mol).

La capacidad calorífica molar a presión constante del Pb líquido , Cp, {Pb}, es 7,75 – 0,74 x 10 -3 T cal/(grado)(mol) (32,43 – 3,10 x 10-3T J/(K)(mol). Use los datos del ejemplo anterior

Temperatura máxima de reacción: Temperatura de llama

• Reacción que se produce en condiciones adiabáticas

• No entra ni sale calor del sistema

• Cambio de entalpía será cero, con P° Cte

• La temperatura del sistema cambiará, productos están a diferentes T° de los reactantes

• Si ΔH positivo, se absorbe calor, T° sistema adiabático bajará

• Si ΔH negativo, T° aumenta durante el curso de la reacción

• Conociendo el calor de reacción y la variación de las capacidades caloríficas de R y P, es posible calcular Tf del sistema

Temperatura de llama

• Cuando de trata de combustibles, esto es útil para calcular la temperatura máxima de llama durante la combustión

• Si se trata de un combustible y suponemos que el proceso de combustión es adiabático, podemos representarlo como: ▫ Combustible + Oxidante (a 298 K) => Productos de

combustión (a T° alta, Tm)

▫ En dos Etapas: (1) Comb + Oxid (298K) => Prod de Comb (298K)

(2) Prod de Comb (298K) => Prod de Comb (Tm)

LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA

CONCLUSIÓN

• Si un sistema aislado está en una situación poco aleatoria, variará en el tiempo de modo de aproximarse finalmente a una situación de mayor aleatoriedad (o de equilibrio)

ENTROPÍA

• La entropía es una cuantificación del grado de aleatoriedad de un sistema

• El equilibrio termodinámico se alcanza cuando la entropía total es máxima

• En cualquier proceso la entropía total debe aumentar

CONSECUENCIAS DE LA 2° LEY PARA LAS

MÁQUINAS TÉRMICAS

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