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“CALCULO DE LA CAPACIDAD CALORIFICA, ASÍ COMO DE LA ENTALPIA DE UNA REACCIÓN QUIMICA, planteado un problema y solucionando con sus respectivas operaciones
Tipo: Ejercicios
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En una reacción exotérmica, la energía liberada no desaparece simplemente. Más bien, se convierte en energía cinética, que produce calor. Esto se observa como un aumento de temperatura a medida que avanza la reacción. Por otra parte, las reacciones endotérmicas suelen requerir que se agregue energía para favorecer la formación de productos. En la práctica, esto generalmente significa manejar una reacción a una temperatura más alta con una fuente de calor, (Movilla, J. 2005) Una propiedad relacionada con la energía interna se conoce como entalpía H. La entalpía específica está relacionada con la energía interna, se le conoce como función de conveniencia, porque resulta muy útil en múltiples cálculos de energía. Al igual que la energía cinética y la potencial, y se definen en función de algún estado de referencia; la entalpía y la energía interna cambian con la presión, la temperatura y la fase, (Murphy, R.,
H = U + PV (Ec. 2) Transferencia de calor La transferencia de calor siempre ocurre desde un cuerpo más caliente a uno más frío, como resultado de la Segunda Ley de la Termodinámica. La transferencia de calor ocurre hasta que los cuerpos y su entorno alcancen el equilibrio térmico. Movilla, J. (2005) El calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción. Aunque estos tres procesos pueden ocurrir al mismo tiempo, puede suceder que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos. Movilla, J. (2005) Balance de energía con reacción química En todo proceso donde se lleva a cabo una reacción química es necesario cuantificar la energía moderada que es necesario subministrar para que se lleve a cabo la transformación a esta energía. La entalpia es una magnitud termodinámica es la cantidad de energía que un sistema puede intercambiar con su entorno. Ecuación del balance de materia:
Existirán siempre materiales que entran y materiales que salen. Para obtener la ecuación de diseño se utiliza la ecuación de conservación de la materia. Sea el reactivo clave, se tiene que, (Himmelblau, D. M., & Huerta, J. L. R. 1988): E + G – S – C = A (Ec.3) Otra forma de verlo: E – S = A (Ec. 4) Puede simplificarse aún más: E = S (Ec.5 ) Dónde: E es la cantidad de materia que entra al sistema G es lo que se genera si en el proceso ocurre una reacción química (como en un reactor) S es lo que sale del sistema C es lo que se consume, nuevamente, si hay reacción A es lo que se acumula, (Himmelblau, D. M., & Huerta, J. L. R. 1988) Rendimiento y selectividad: Se define selectividad y rendimiento con base en el reactivo limitante o el reactivo más costoso. Para mayor claridad, siempre se debe especificar el reactivo. Luego, se debe considerar una relación que es casi igual que la selectividad y escribir esta relación con la notación usual, (Murphy, R., 2007): (Ec. 6 ) Selectividad^ fraccionaria =^ moles de reactive A convertido en el product deseado P moles de reactive A consumido (Ec.7 ) Rendimiento fraccionario = moles de reactive A convertido en el product deseado P moles de reactive A alimentado ( Ec. 8 ) Converción X = nentrad n
Imagen 2) Recipiente interno dentro del calorímetro que contiene los reactivos a reaccionar Para aplicar las formulas 9 y 10 se toma un volumen determinado posteriormente se pesa en la balanza CARAT SCALE ahora solo se sustituyen valores como se indica en la ecuación 10, una vez hecho esto se sustituyen los valores en la ecuación 11, pero con el volumen introducido dentro del recipiente que contendría el Óxido de calcio, CaO. n = masa peso molecular ( ec. 9 ) ρ = masa volumen ( ec. 10 ) masa = ρ ( volumen ) ( ec. 11 ) El recipiente que contendrá el óxido de calcio debe de tener su tapadera ya que el interior del calorímetro debe de tener agua la cual acumulará la energía desprendida, calor esta será registrada antes y después de la reacción exotérmica que se genera al producirse el hidróxido de calcio Ca(OH) 2 como se muestra en la imagen 3.
Imagen 3) Diseño del calorímetro Se deben tomar todos los datos necesarios como son temperatura inicial y final del agua que contiene alrededor del recipiente. Obtención y manejo de datos experimentales Al comenzar la práctica se han registrado los datos de cinco diferentes pruebas, los cuales obtenidos se muestran en la tabla número 1.
Tabla 1: datos obtenidos de 5 pruebas distintas de forma experimental, con concentraciones de reactivos constantes.
nsalidaCA ( OH ) 2 = nentrada CA ( OH ) 2 − ξ ( Ec. 15 ) A + B →C ( Ec. 16 ) 57 mol + 59.82 mol =116.82 mol Ahora se puede calcular la entalpia de formación con la ecuación 1
Desarrollándola de la siguiente forma y sustituyendo. El calor especifico se obtuvo de las tablas del apéndice 1 de Cengel, T., Transferencia de calor y masa 2011, tal dato se muestra en la tabla 3, en conjunto con las conversiones de temperatura de °C a Kelvin, las mediciones de las temperaturas se obtuvieron en plena reacción como se muestra en la imagen 4. Imagen 4) Capitación de las temperaturas durante la reacción
∆ Hreax =¿ ∆ Hreax ={−986.09 }−{(−635.6 )+ (−285.84) (^) }=−64.65 kj / gmol
Tabla 3 entalpia de Ca(OH) 2 Cp= 87.5 J/Kg°K T2= 59.52 °C 332.67 °K T1= 24.3 °C 297.45 °K Tabla 3: Temperaturas convertidas a kelvin y calor especifico del hidróxido de calcio. Para obtener la entalpia del hidróxido de calcio se usa la ecuación 16 Ahora se puede calcular la capacidad calorífica del hidróxido de calcio con la ecuación 17. Aplicando la ecuación 7 se obtiene: 4 * (3.3+0.7) =1 *100 =100% por tanto tenemos un rendimiento del 100% Conclusiones: La entalpía es otra forma en la que se puede describir el flujo en relación a través de un sistema la capacidad calorífica se puede describir mejor como la energía que se distribuye a través de su entorno en relación a los joules sobre grado Kelvin por kilogramo. Se puede contemplar de una mejor forma Asimismo como las entalpias de cada uno de sus reactivos y de producto se aprecia de forma analítica la manera en que se comporta una reacción exotérmica de la cual se calcula la energía liberada en forma de Esto se logra apreciar al ver una diferencia de temperaturas con respecto al tiempo H 2 − H 1 = -3081.75 j/Kg H 2 − H 1 = Cp ( T (^) ¿¿ 2 − T (^) 1 )( Ec. 16 )¿ H 2 − H 1 =880 (332.67 - 297.45) Q = m ∗ Cp ∗ ∆ T ( Ec. 17 ) Q =106.82∗87.5∗( 346.15−298.15) = 360 j K kg
