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El calor es energía que se manifiesta como un gradiente de temperatura, esto es, siempre fluye espontáneamente desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de temperatura menor.

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Presentation Transcript

  1. El calor es energía que se manifiesta como un gradiente de temperatura, esto es, siempre fluye espontáneamente desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de temperatura menor. El flujo de energía en forma de calor termina cuando el gradiente es cero, esto es, cuando las dos temperaturas son iguales y se dice que el sistema esta en equilibrio térmico. Q T2 T1 T1>T2

  2. Cuando la energía calorífica se transmite a una sustancia pura, por ejemplo agua, el calor se puede manifestar como calor sensible. El calor sensible es aquel que cuando se suministra a la sustancia eleva la temperatura de esta pero la sustancia no cambia de fase Qsensible=mC(t2-t1) t1 t2 Qsensible t2>t1

  3. 0ºC 0ºC Calor latente es aquel se debe suministrar a la sustancia para cambiar de fase. Cuando se agrega calor a la sustancia y esta cambia de fase, la temperatura no cambia y se mantiene constante hasta que la fase cambia completamente de una forma a otra forma diferente. El calor latente de fusión del agua es la cantidad de calor que se debe suministrar a la masa de agua para cambiar de fase sólida a fase liquida. A P=1 atm. el calor latente de fusión del agua es f=80 cal/gr=80 Kcal/Kg o sea que para pasar un Kg de hielo a 0ºC a agua a 0ºC se deben suministrar 80 Kcal agua hielo Qlatente

  4. 100ºC 100ºC El calor latente de vaporización del agua es la cantidad de calor que se debe suministrar a la masa de agua para cambiar de fase liquida a la fase de vapor. A P=1 atm. el calor latente de vaporización del agua es v=540 cal/gr=540 Kcal/Kg o sea que para pasar un Kg de agua liquida a 0ºC a vapor de agua a 100ºC se deben suministrar 540 Kcal vapor agua Qlatente

  5. 180ºC 100ºC Si no se permite que el vapor escape y se sigue suministrando calor, la temperatura nuevamente sube y ya no hay cambio de fase, por lo que todo el calor que se agrega es calor sensible Qsensible=mCv(tf-ti) Cv=calor especifico del agua en forma de vapor vapor vapor Qsensible

  6. -10ºC 0ºC Ejemplo: Que cantidad de calor se debe suministrar a 2 Kgs de hielo a -10ºC para elevar su temperatura hasta 45ºC. Para el agua como hielo Cs=0.45 cal/gr ºC o Kcal/Kg ºC Para el agua como liquido Cl=1.0 cal/gr ºC o Kcal/Kg ºC hielo hielo Qsensible Q=2 kgs×0.45 Kcal/Kg ºC(0+10)ºC=90 Kcal

  7. 0ºC 0ºC Calor latente de fusión: Q=mf=2 Kg×80 Kcal/Kg=160 Kcal agua hielo Qlatente

  8. 45ºC Una vez que el hielo se ha fundido el calor que absorbe el agua es calor sensible Qsensible=mCl(t2-t1)=2 Kg×1.0 Kcal/KgºC(45-0)ºC=90 Kcal 0ºC Qsensible La cantidad total de calor a suministrar para pasar el agua desde hielo a -10ºC a agua a 45ºC es: Q=90+160+90=340 Kcal

  9. 15ºC 16ºC Caloría: cantidad de energía en forma de calor que se debe suministrar a un gramo de agua para elevar su temperatura en 1ºC Kilocaloría: cantidad de energía en forma de calor que se debe suministrar a un Kilogramo de agua para elevar su temperatura en 1ºC BTU: cantidad de energía en forma de calor que se debe suministrar a una libra de agua para elevar su temperatura en 1ºF m=1 Kg Q=1 Kcal

  10. CAMBIOS DE FASE: Es conveniente representar el proceso de calentamiento y cambios de fase en diagramas como el que se representa en este ejemplo. Ejemplo: Que cantidad de calor se debe suministrar para pasar 4.5 Kgs. de agua a -5ºC hasta vapor de agua a 120ºC. 120ºC Temperatura 100ºC Q5-6 Q4-5 Q3-4 0ºC Q2-3 -5ºC Q1-2 Calor

  11. Para el hielo sólido Cs=0.45 cal/grºC Para el agua liquida Cl=1.0 cal/grºC Para el vapor Cv=0.5 cal/grºC f=80 cal/gr v=540 cal/gr Nota: cal/grºC=Kcal/kgºC y también cal/gr=Kcal/Kg Q1-2=calor sensible=mCs(t2-t1)=4.5 Kgrs  0.45 Kcal/KgºC(0+5)ºC=10.125 Kcal. Q2-3=calor latentef=4.5 Kgs80 Kcal/Kg=360 Kcal. Q3-4=calor sensible mCl(t4-t3)=4.5 Kg 1.0 Kcal/KgºC(100-0)ºC=450 Kcal. Q4-5=calor latente v=4.5 Kgs540 Kcal/Kgr=2430 Kcal. Q5-6=calor sensible = mCv(t6-t5)=4.5 Kgs0.5 Kcal/KgºC(120-100)ºC=45 Kcal. Qtotal=Q1-2 + Q2-3 + Q3-4 + Q4-5 + Q5-6=3295.125 Kcal

  12. Ejemplo: Que cantidad de calor se debe suministrar para pasar 500 grs. de agua a 25ºC hasta vapor de agua a 100ºC. 120ºC Temperatura 100ºC 25ºC Q2-3 Q1-2 0ºC Calor

  13. Para el hielo sólido Cs=0.45 cal/grºC Para el agua liquida Cl=1.0 cal/grºC Para el vapor Cv=0.5 cal/grºC f=80 cal/gr v=540 cal/gr Q1-2=calor sensible=mCl(t2-t1)=500 grs1.0 cal/grºC(100-25)ºC=37,500 cal. Q2-3=calor latente v=500 grs540 cal/gr=270,000 cal. Qtotal=Q1-2 + Q2-3=307,500 cal.

  14. Termoquímica: rama de la química que trata de las reacciones químicas y los cambios energéticos asociados con estas reacciones: Una reacción química se puede representar de la siguiente manera. REACTIVOS  PRODUCTOS +Q Reacción Exotérmica REACTIVOS +Q  PRODUCTOS Reacción Endotérmica Si la reacción se efectúa a presión constante entonces Q=H Q=H=(-) Reacción Exotérmica SISTEMA SISTEMA Q=H=(+) Reacción Endotérmica

  15. Otra forma de representar estas ecuaciones es de la siguiente manera: H2(g) + 1/2O2(g) ------> H2O(l)Hº25ºC = -68,320 cal 2H2(g) + O2(g) ------> 2H2O(l)Hº25ºC = -136,640 cal 2H2O(l) --------> 2H2(g) + O2(g)Hº25ºC = 136,640 cal H2(g) + 1/2O2(g) ------> H2O(g)Hº25ºC = -57,800 cal Obsérvese lo siguiente: 1: Hº25ºC es el calor absorbido o desprendido a presión constante, por el sistema o recipiente de reacción cuando las substancias se encuentran en su estado tipo y a 25ºC. 2: Si H es positivo la reacción es endotérmica. El sistema absorbe calor desde el medio ambiente cuando ocurre la reacción . 3: Si H es negativo la reacción es exotérmica. El sistema desprende calor hacia el medio ambiente cuando ocurre la reacción. 4: Las reacciones termoquímicas siguen las leyes del álgebra. Si se invierte la reacción H cambia de signo. Si se duplica la cantidad de productos y reactivos H cambia en la misma proporción.

  16. 5: En las ecuaciones termoquímicas es muy importante especificar en que fase se encuentran los componentes. No es el mismo valor de H cuando el agua producto es liquida H2O(l) que cuando es agua en forma de vapor H2O(g) Para la reacción: aA + bB -----> cC + dD Hreacción=Hproductos-Hreactivos Hproductos=cHC + dHD Hreactivos=aHA + bHB

  17. Por definición a los elementos en su estado puro en su forma mas estable a 25ºC tienen una entalpía de formación igual a cero: Para Ag Hº25ºC=0 Para Pb Hº25ºC=0 Para H2 Hº25ºC=0 Para O2 Hº25ºC=0 Para N2 Hº25ºC=0 Para He Hº25ºC=0 Para Cu Hº25ºC=0 Los compuestos como: AgNO3, PbCO3, H2O, CO, CaCl2, CO2, etc. si tienen una entalpía de formación diferente de cero y se pueden consultar en tablas especializadas que tienen estos valores.

  18. Las ecuaciones termoquímicas siguen las leyes del álgebra como por ejemplo: A + 2B  C + 2D H= -30 Kcal (1) 3C + D  2B + F H= -22 Kcal (2) Si sumamos las ecuaciones (1) y (2) tenemos: A + 2C  D + F H= -52 Kcal De igual forma para dos ecuaciones termoquímicas tenemos: 2H2O(l) + 2SO2(g) 2H2S(g) + 3O2(g)H°25°C= +269 Kcal CS2(l) + 3O2(g) CO2(g) + 2SO2(g)H°25°C= -257 Kcal ------------------------------------------------ CS2(l) + 2H2O(l) CO2(g) + 2H2S(g)H°25°C= +12 Kcal

  19. Calor de combustión es el calor absorbido o desprendido cuando una mol de una sustancia se quema con oxígeno para producir bióxido de carbono y agua liquida. CH4(g) + 2O2(g) CO2(g) + 2H2O(l)Hº25ºC= -212.8 Kcal/mol, C4H10(g) + 6.5O2(g) 4CO2(g) + 5H2O(l)Hº25ºC= -687.98 Kcal/mol, Los efectos térmicos de una reacción de combustión se pueden medir en un calorímetro o bomba calorimétrica.

  20. 25.5ºC En el calorímetro se coloca la muestra y se sella en el recipiente de muestra Se introduce oxígeno y se provoca la combustión haciendo pasar corriente por un filamento que se pone al rojo vivo y que hace que la muestra reaccione y se incendie. - + FILAMENTO INCANDESCENTE TERMÓMETRO AGITADOR MEZCLADOR AGUA PAREDES ADIABÁTICAS RECIPIENTE PARA MUESTRA Y MUESTRA

  21. 29.2ºC El calor producido en la combustión se transmite al agua que rodea la cápsula de reacción, y por agitación, el calor desprendido se distribuye en toda el agua del calorímetro para que la temperatura sea homogénea.

  22. 29.2ºC 24.5ºC 29.2ºC Para determinar la constante del calorímetro se quema una masa determinada de una sustancia que se conoce su calor de combustión y se mide el incremento de temperatura. Después en el mismo calorímetro se quema la sustancia a la cual se desea determinar su poder calorífico y conocida la constante del calorímetro y el incremento en temperatura es posible determinar el poder calorífico de la sustancia problema. Ejemplo: Se queman 0.235 grs. de acido benzoico y la temperatura aumenta desde 24.5ºC hasta 29.2ºC. Cual es la constante del calorímetro? m=0.235 grs

  23. El calor de combustión del ácido benzoico es 771.2 Kcal/mol el peso formular del ácido benzoico es M=122 grs/mol y n=m/M=0.235 grs/122 grs/mol=0.00193 moles El calor desprendido al quemar esta cantidad de acido benzoico es 0.00193 moles771.2 Kcal/mol=1.486 Kcal=1486 cal La constante del calorímetro K es Q/t y t=29.2-24.5=4.7ºC K=1486 cal/4.7ºC=316.2ºC. Problema: Si en el mismo calorímetro se queman 1.225 grs. de un cereal y la temperatura aumenta de 29.8ºC a 32.3ºC cual será el poder calorífico del cereal en Kcal por porción de cereal si una porción son 150 grs.

  24. 32.3ºC 29.8ºC 32.3ºC La constante del calorímetro es K=1486 cal/4.7ºC=316.2ºC. La temperatura aumenta de 29.8ºC a 32.3ºC por lo que t=32.3-29.8=2.5ºC Q=calor desprendido al quemarse el cereal=Kt=316.2 cal/ºC2.5ºC=790.5 cal. El poder calorifico del cereal en cal/gr=790.5 cal/1.225 grs=645.3 cal/gr y para una porción de 150 grs de cereal el poder calorífico es: 645.3150=96,796 cal=96.8 Kcal/porción m=1.225 grs

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