12. GAIA: BEROTZE/HOZTE-PROZESUAK INGENIARITZAREN ARLOAN ERABILITAKO OINARRI KIMIKOAK 12. GAIA: BEROTZE/HOZTE-PROZESUAK IRAKASLEA: Natalia Villota Salazar

12. BEROKETA/HOZTEA PROZESUAK 12. 1. TERMODINAMIKAREN LEHENEGO LEGEA 12.1.1. ENERGIA-ALDAKETA 12.1.2. BEROA ETA LANA 12.1.3. ENTALPIA 12.2. ALDAKETA-FASERIK GABEKO BEROKETA/HOZTEA-PROZESUAK 12.2.1. BERO-AHALMENA 12.3. FASE-ALDAKETA PROZESUAK 12.3.1. FASE-ALDAKETA TENPERATURAK 12.3.2. SOLIDO BATEN BEROTZE-BIHURGUNEA 12.3.3. FASE-ALDAKETAREN BERO SORTZEA  

12.1. TERMODINAMIKAREN LEHENEGO LEGEA 12.1.1. ENERGIA-ALDAKETA SISTEMA MATERIALA EGOERAZ ALDATZEAN, BERE ENERGIA ALDATZEN DA E ↑ EGOERA INIZIALA EGOERA FINALA DE = EF - EI SISTEMAREN ENERGIA-ALDAKETA PROZESU ENDOTERMIKOA EF >EI  E >0 PROZESU EXOTERMIKOA EF < EI  E<0

SISTEMA W < 0 W > 0 Q > 0 Q < 0 12.1.2. BEROA ETA LANA ENERGIAKO KONTSERBAZIO LEGEA SISTEMA ITXIAK PROZESU BAT JASATEN DUENEAN, SISTEMAREN ENERGIA-ALDAKETA DA HARTUTAKO BEROA GEHI EGINDAKO LANA SISTEMA Q > 0 W > 0 W < 0 Q < 0 HARTUTAKO ENERGIA EMANDAKO ENERGIA E: ENERGIA-ALDAKETA q: ALDATUTAKO BEROA w: ALDATUTAKO LANA BEROA: ENERGIA-FLUXUA DA BI SISTEMA ARTEKO TENPERATURA-ALDEA DAGOENEAN LANA: ENERGIA-ALDAKETA DA SISTEMAK BOLUMEN-ALDAKETA JASATEN DUENEAN

SISTEMA LIKIDOAK / SOLIDOAK: 12.1.3. ENTALPIA SISTEMA LIKIDOAK / SOLIDOAK: GAS IDEALAK: PROZESU ISOKOROAK: BOLUMEN EGONKORRA W=0 PROZESU ISOBAROAK: PRESIO EGONKORRA P=0

12.2. ALDAKETA-FASERIK GABEKO BEROKETA/HOZTEA-PROZESUAK HARTUTAKO EDO HARTUTAKO BEROA ERABILTZEN DA SISTEMAREN TENPERATURA ALDATZEKO qp: ALDATUTAKO BEROA, P=cte, (J) qv: ALDATUTAKO BEROA, V=cte (J) Cpi: BERO-AHALMENA MOLARRA (J / mol K) n: MOLEN KOPURUA (mol) T: TENPERATURA ALDAKETA (K) 12.2.1. BERO-AHALMENA BERO-AHALMEN MOLARRA OSAGAI BATEN MOL BATEK HARTU EDO EMAN BEHAR DUEN BERO-KOPURUA DA TENPERATURAKO GRADU BAT MOTELTZEKO EDO IGOTZEKO BERO ESPEZIFIKOA OSAGAI BATEN GRAMO BATEK HARTU EDO EMAN BEHAR DUEN BERO-KOPURUA DA TENPERATURAKO GRADU BAT MOTELTZEKO EDO IGOTZEKO Ci: BERO ESPEZIFIKOA (J / g ºC) m: MASA (g)

BERO-AHALMENA MOLARRA OSAGAIA URA LIKIDOA IZOTZA BURDINA AIREA AMONIAKO BERO ESPEZIFIKOA (J /g ºC) 4,184 2.03 0.46 0.720 2.06 BERO-AHALMENA MOLARRA ( J / mol K) 75,4 36.6 25.1 20,8 35.1 12.3. FASE-ALDAKETA PROZESUAK GASA LIKIDOA SOLIDOA SUBLIMAZIOA LURRUNKETA FUSIOA KONDENTSAZIOA SOLIDOTZEA GOROZKIA ENERGIA

12.3.1. FASE-ALDAKETA TENPERATURAK OSAGAI PURUETAN FASE-ALDAKETA EGITEN DEN TENPERATURA BETI BERA DA (PRESIO ZEHATZETAN)    FUSIO-TENPERATURA Tf SOLIDOTZE-TENPERATURA  LURRUNKETA-TENPERATURA Tv KONDENTSAZIO-TENPERATURA SUBLIMAZIO-TENPERATURA Ts GOROZKI-TENPERATURA ERREFERENTZIAREN PRESIOA PRESIO STANDARRA (1.0 ATMOSFERA) DENEAN:  FUSIO-PUNTUA: Tºf  LURRUNKETA-PUNTUA: Tºv  SUBLIMAZIO-PUNTUA: Tºs

12.3.2. SOLIDO BATEN BEROKETA-BIHURGUNEA LAGIN SOLIDOA PRESIO EGONKORRETAN ASTIRO ETA UNIFORMEKI BEROTZEN DA SISTEMAKO TENPERATURA vs BEROKETA-DENBORA IRUDIKATZEN DIRA OSAGAIA LURRUNKETA PUNTUA ºC H LURRUNKETA kJ/mol Ar -186 6.3 C6H6 80.1 31 C2H5OH 78.3 39.3 C2H5O C2H5 34.6 26 Hg 357 59 CH4 -164.0 9.2 H2O 100 40.79 lurruna TENPERATURA LURRUNKETA PUNTUA Likido-Lurruna orekan Solido-Likido orekan likidoa FUSIO PUNTUA solidoa BEROKETA-DENBORA

12.3.2. FASE-ALDAKETAREN BERO SORTZEA Hvap (kJ/mol) LURRUNKETA-ENTALPIA EDO LURRUNKETA-BERO-SORTZEA BEHARREZKOA DEN ENERGIA MOL BAT UR URETATIK GASERA PASATZEKO, TENPERATURA EGONKORRETAN   Hfus (kJ/mol) FUSIO-BERO SORTZEA EDO FUSIO-ENTALPIA BEHARREZKOA DEN ENERGIA MOL BAT UR IZOTZATIK URETARA PASATZEKO, TENPERATURA EGONKORRETAN Hsub SUBLIMAZIO-BERO SORTZEA EDO SUBLIMAZIO-ENTALPIA BEHARREZKOA DEN ENERGIA MOL BAT UR IZOTZATIK GASERA PASATZEKO, TENPERATURA EGONKORRETAN IRAKITE PUNTUA GASEZKO URA Hvap 100 TENPERATURA URA LIKIDOA FUSIO PUNTUA Hfus UR SOLIDOA 600 100 200 300 400 500 BEROKETA-DENBORA

Kalkulatu baldintza estandarretan, honako erreakzioaren entalpia: HESS-LEGEA 1,013∙105 Pa eta 25 °C-tan, presio konstantetan etanoren errekuntza-beroa 1559.8 kJ/mol da eta etenorena 1410.8 kJ/mol da. Demagun uraren heziketa-entalpia -285.8 kJ/mol dela. Kalkulatu baldintza estandarretan, honako erreakzioaren entalpia: C2H4 + H2  C2H6 C2H6 + O2  2CO2 + 3H2O ∆H1° = -1559,8 kJ/mol C2H4 + 3O2  2CO2 + 2H2O ∆H2° = -1410,8 kJ/mol H2 + O2  H2O ∆H3° = -285,8 kJ/mol

∆H° = -∆H1°+∆H2°+∆H3° = 1559,8 – 1410,8 -285,8 = -136,8 kJ/mol 2 CO2 + 3 H2O  C2H6 + O2 -∆H1° = +1559,8 kJ/mol C2H4 + 3 O2  2 CO2 + 2 H2O ∆H2° = -1410,8 kJ/mol H2 + O2  H2O ∆H3° = -285,8 kJ/mol C2H4 + H2  C2H4 ∆H° = -∆H1°+∆H2°+∆H3° ∆H° = -∆H1°+∆H2°+∆H3° = 1559,8 – 1410,8 -285,8 = -136,8 kJ/mol

H2N-NH2 + 2 H-O-O-H → NN + 4 H-O-H HESS-LEGEA Hidrazina erregai bat da suzirietarako. Suziri batek hidrazina erregaia bezala eta hidrogeno-peroxidoa erregarria bezala erabiltzen dituenean, hurrengo erreakzioa gertatzen da: H2N-NH2 + 2 H-O-O-H → NN + 4 H-O-H KJ/mol-etan adierazitako lotura-energiak badira: N-H: 391; N-N: 159; O-H: 463; NN: 945; O-O: 143 Kalkula itzazu: Erreakzioaren entalpia aldaketa erreakzioaren entalpía = hautsitako loturen entalpiak - eratutako loturen entalpiak LOTURAK HAUTSITAKOAK ERATUTAKOAK N-H 4 - N-N 1 O-H 8 NN O-O 2

ΔH = 4 ΔH(N-H) + ΔH(N-N) + 4 ΔH(O-H) + 2 ΔH(O-O) - 8 ΔH(O-H) – ΔH(NN) ΔH = 4·391 + 159 + 4·463 + 2·143 – (8·463 + 945) = -788 kJ/mol b) Errekuntzan 640 g hidrazina erabiltzen badira, etengabeko presiotan, askatutako beroa.

Honako datu esperimental hauetatik : HESS-LEGEA Honako datu esperimental hauetatik : 2C6H6(l) + 15O2(g) → 12CO2(g) + 6H2O(l) ΔH1° = -6603 kJ/mol C6H12(l) + 9O2(g) → 6CO2(g) + 6H2O(l) ΔH2° = -3951 kJ/mol 2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l) ΔH3° = -571,7 kJ/mol Kalkula itzazu: Hurrengo prozesurako entalpia estandarra: C6H6(l) + 3H2(g) → C6H12(l) C6H6 + 15/2 O2 → 6 CO2 + 3 H2O 0.5 x ΔH1° = -6603 kJ/mol 6 CO2 + 6 H2O → C6H12 + 9 O2 -ΔH2° = +3951 kJ/mol 3 H2 + 3/2 O2 → 3 H2O 3/2 x ΔH3° = -571,7 kJ/mol C6H6 + 3 H2 → C6H12 ΔH° = (0.5 x ΔH1°) -ΔH2° + (3/2 x ΔH3°) ΔH° = 0.5 x(-6603) –(-3951) + 3/2 x (-571,7) = -208,05 kJ/mol

Egoera fisikotik aldaketa Etanol likidoren errekuntzako entalpia estandarrak -520 kJ/mol balio du. Datuak: Cp(ura(l))=75 J/mol K; Cp(ura(g))=35 J/mol K; Hvap(ura)=40 kJ/mol a) Idatzi etanolaren egokitutako errekuntzako ekuazio termokimikoa 50 g etanol erretzen dira 20 L aire dauzkan ontzi itxian 25ºC-etan eta presio atmosferikotan . Zenbat CO2 sortuko da? Demagun aireak %20 oxigeno daukala.

Oxigenoa da elementu mugatzailea

Geroago, 100 g etanol erretzen dira. Zenbat energia sortuko da? Demagun erreakzioaren errendimendua %95 dela.

Sortutako energia erabiltzen da 500 mL ur berotzeko Sortutako energia erabiltzen da 500 mL ur berotzeko. Kalkulatu uraren tenperatura finala presioa egonkorra mantentzen bada. Datuak: Cp(ura(l))=75 J/mol K; Cp(ura(g))=35 J/mol K; Hvap(ura)=40 kJ/mol

DAUKAGUN ENERGIA NAHIKOA DA LURRUN EGOERARA PASATZEKO? bai

Egoera fisikotik aldaketa 20 cal/ºC bero-ahalmena daukan kalorimetroak bere barnean -8ºC-tan 20 g izotz dauzka. 100ºC-tan 20 g lurrun sartzen dira, sisteman desoreka eraginez. Kalkula ezazu nahasketaren egoera finala oreka termikoa berreskuratzen denean (tenperatura, ur likidoa, lurruna eta izotzaren kopuruak). Demagun sistemako presioa atmosferikoa dela. Datuak: uraren bero-espezifikoa Cp(lurrun)=20 cal/g K; izotzaren bero-espezifikoa Cp(izotza)=0.5 cal/g K; izotzaren fusioko bero sorra Hfusio=80 cal/g; uraren lurrunketako bero sorra Hlurrun=540 cal/g.

Demagun izotza eta lurrun guztietan ur likido bihurtu direla Demagun izotza eta lurrun guztietan ur likido bihurtu direla. Tenperatura finala: T0=0ºC – 100ºC bitartean egongo da Tf=183ºC > 100ºC Horregatik emaitza ez da posible. Izotza eta lurrun guztietan ur likido ez dira bihurtu

Hasteko, ez da posible hiru fase edukitzea presio atmosferikotan. Bi aukera daukagu: Ur likidoa + lurruna : Tf=100ºC Izotza + ura: T0=0ºC Hasieran izotzaren eta lurrunaren kopuruak berdinak dira eta Hlurrun >> Hfusio problableena da ematen den beroa nahikoa dela izotza funditzeko eta ur likidoa berotzeko T=100ºC arte.

Masa iniziala 20 g lurrun izatean, aldaketaren masa 10 Masa iniziala 20 g lurrun izatean, aldaketaren masa 10.81 g sentidua dauka.

Egoera fisikotik aldaketa 6,0 L ur berotzeko 25ºC-tatik 50ºC arte, 20 g propano erre ziren. Datuak: Cp(ura) =75 J/mol K; Cp(lurrun) =35 J/mol K; Hlurrun=40 kJ/mol a) Kalkula ezazu 1 mol propanoren errekuntzaren entalpia-aldaketa.

Demagun lurrun ur bihurtuko dela: 333.33 mol ur >> 15 mol lurrun Geroago, 50ºC-tan dauden 6.0 L ur nahasten dira 300ºC-tan dauden 15 mol lurrunarekin. Kalkula ezazu nahasketaren tenperatura finala. Demagun lurrun ur bihurtuko dela: 333.33 mol ur >> 15 mol lurrun

c) Hala ere, esperimentalki, aztertu zen nahasketaren tenperatura finala 85ºC zela. Kalkula itzazu sistemaren energia-galdua.

BIBLIOGRAFIA Chang, R. (2010). Química. Ed. McGraw-Hill, 10º edición. Felder, R. M.; Rousseau, R. W. (2004). Principios elementales de los procesos químicos. Ed. Limusa-Wiley. Ghasem, N.; Henda, R. (2009). Principles of Chemical Engineering Processes. Editorial Taylor & Francis Group. Izquierdo, J. F.; Costa, J.; Martínez de la Ossa, E.; Rodríguez, J.; Izquierdo M. (2011). Introducción a la Ingeniería Química: Problemas resueltos de balances de Materia y Energía. Ed. Reverté.