termoquímica a química es la energía que está almacenada en las unidades...
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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 movimientoaleatorio 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
900C400C
mayor energía térmica
temperatura = energía térmica
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
Entorno
Sistema
Paredes
Q, W, m
Universo
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.
abierto
masa y energíaIntercambio:
cerrado
energía
aislado
nada6.2
Tipos de sistemas
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 = c x m
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