TEMA 5. TERMOFISICA Y TERMOQUÍMICA Tecnológico Nacional de México Instituto Tecnológico de Toluca Departamento de Ingeniería Química y Bioquímica Facilitadora: M.C. Yenissei M. Hernández Castañeda segundaleydelatermo@gmail.com www.iqtermodinamica.blogspot.com

Competencia específica a desarrollar: Resuelve problemas de cambios de entalpía en transformaciones físicas y químicas para procesos termodinámicos. www.iqtermodinamica.blogspot.com

Contenido de la presentación Tema 5. Termofísica y termoquímica 5.1 Cálculos de variación de entalpía en procesos sin cambio de fase 5.2 Cálculos de variación de entalpía con cambio de fase 5.3 Cálculos de variación de entalpía para procesos con reacción química

Tema 5. Termofísica y Termoquímica Competencias Previas Herramientas Necesarias Algebra básica Balanceo de ecuaciones químicas Primera ley de la termodinámica Concepto de entalpía Lectura de tablas y gráficas Sistemas de Unidades Tablas de conversión de unidades Tablas de vapor Tablas y ecuaciones de Capacidad Calorífica, Cp Tablas de calores latentes Tablas de calor normal de formación Tablas de calor normal de combustión Calculadora científica (programable de preferencia) www.iqtermodinamica.blogspot.com

CÁLCULO DE CAMBIO DE ENTALPÍA EN PROCESOS FÍSICOS con o sin cambio de fase www.iqtermodinamica.blogspot.com

CALOR Todas las sustancias requieren calor para aumentar su temperatura y proporcionan la misma cantidad de calor cuando se enfrían a la temperatura inicial, esto también ocurre para los cambios de fase (1ra. Ley de la Termodinámica). Fundición Colado www.iqtermodinamica.blogspot.com

ENTALPÍA La entalpía es una propiedad que nos da una medida del calor absorbido o liberado por un sistema durante un proceso a presión constante. Es una propiedad extensiva y es imposible determinar la entalpía de una sustancia, por lo que lo que se mide realmente es el cambio de entalpia. www.iqtermodinamica.blogspot.com

Tipos de calor Calor Sensible Es el calor que se emplea para variar la temperatura de una sustancia o de un cuerpo. www.iqtermodinamica.blogspot.com

Tipos de calor Calor Latente Es la energía que se absorbe o se desprende durante el proceso de un cambio de fase. Se requieren grandes cantidades de energía para derretir sólidos y evaporar líquidos. www.iqtermodinamica.blogspot.com

Cambios de fase Transiciones de fase Calor latente Calor latente Cp Sólido I Sólido II Líquido Gas Calor sensible Calor sensible Calor sensible Calor sensible T Transiciones de fase www.iqtermodinamica.blogspot.com

Recordando lo ya aprendido... Para todas las sustancias y a presión constante: T1 = 50°C T2 = 70°C P H T3 = 99.63°C De líquido comprimido a líquido saturado la temperatura se incrementa: calor sensible T4 = 300°C Tablas de vapor!!! De líquido saturado a vapor saturado la temperatura se mantiene constante: calor latente P = cte 100 kPa De vapor saturado a vapor sobrecalentado la temperatura se incrementa: calor sensible H1 = 209.4 kJ/kg H2 = 3073.9 kJ/kg DH1 = 2864.5 kJ/kg www.iqtermodinamica.blogspot.com

Cuando no hay tablas de vapor para la sustancia ¿Qué hacer? Cuando no hay tablas de vapor para la sustancia www.iqtermodinamica.blogspot.com

Calor latente y sensible Ejemplo: sustancias puras a 1 atm de presión absoluta Cambio de fase Cambio de fase Agua -5ºC (268.15 K) 0ºC (273.15 K) 100ºC (373.15 K) 200ºC (473.15 K) Calor sensible Calor sensible Calor sensible Calor latente Calor latente El cambio total de entalpía será igual a la suma de todos los calores. www.iqtermodinamica.blogspot.com

Calor Sensible Para calcular el cambio de calor sensible hacemos uso de la ecuación: Tablas de Cp www.iqtermodinamica.blogspot.com

Calor de solidificación Calor latente Los cambios de fase se acompañan de grandes cambios de energía interna y entalpía. Un cambio de fase va acompañado de calor latente: Término Símbolo Definición Calor de vaporización Hv, lv Calor absorbido cuando se cambia una mol de líquido al estado gaseoso Calor de condensación -Hv, - lv Calor liberado cuando se condensa una mol de gas hasta un líquido Calor de fusión Hm, lm Calor absorbido cuando se funde una mol de sólido Calor de solidificación -Hm, - lm Calor liberado cuando se solidifica una mol de líquido Calor de disolución Hs Calor liberado o absorbido cuando se disuelve una mol de soluto en una cantidad fija de disolvente www.iqtermodinamica.blogspot.com

Calor latente y sensible Ejemplo: sustancias puras a 1 atm de presión absoluta Cambio de fase Cambio de fase Benceno -10ºC (263.15 K) 5.5ºC (278.693 K) 80.11ºC (353.26 K) 150ºC (423.15 K) Calor sensible Calor sensible Calor sensible Calor latente de fusión Calor latente de vaporización ***Recordar que el valor de Cp es diferente dependiendo de la fase. www.iqtermodinamica.blogspot.com

Cálculo de Entalpía con Cambio de Fase Para realizar los cálculos de cambio de entalpía con cambio de fase, sencillamente se van sumando los cambios de entalpía (correspondientes a calor sensible y calor latente) desde el estado inicial hasta el final, tal como se ilustra en el siguiente ejemplo. Cp T Sólido II Líquido Gas Calor latente. Hm Sólido Calor sensible Tinicial Tfinal Calor latente. Hv TFusión Tevaporación www.iqtermodinamica.blogspot.com

Ejercicio Calcular el cambio de entalpía cuando agua a 100 kPa y 50°C cambia a un estado final de 300°C y 100 kPa. Utilice tablas de Cp y calor latente. Calor latente, Hv Cp T Hielo Agua Líquida Vapor de agua Calor sensible Calor sensible 50°C 100°C 300°C www.iqtermodinamica.blogspot.com

1. Calor sensible: de 50°C a 100°C 2. Calor latente (cambio de fase: líquido a vapor) www.iqtermodinamica.blogspot.com

3. Calor sensible: de 100°C a 300°C De lo que: De tablas de vapor DH1 = 2864.5 kJ/kg Lo que corresponde a un error de 0.223% www.iqtermodinamica.blogspot.com

Ejercicio Se desea evaporar 100 mol/h de n-hexano líquido a 25°C y 1 atm, y calentarlo a 300°C a presión constante. Calcule la velocidad a la cual debe suministrarse calor al proceso. V0 De tablas: Vapor Tf = 177K = -95.31°C 100 gmol/h 300°C 1 atm Tb = 341.90 K = 68.75°C 25°C L1 Condensado www.iqtermodinamica.blogspot.com

Cp T Sólido Líquido Vapor Calor latente, Hv Calor sensible www.iqtermodinamica.blogspot.com

1) Calor sensible de 25°C a 68.75°C V0 Vapor Líquido Vapor 100 gmol/h 300°C 1 atm 25°C 2) Calor latente (líquido a vapor) L1 Condensado 3) Calor sensible de 68.75°C a 300°C www.iqtermodinamica.blogspot.com

Calor total necesario: V0 Vapor Líquido Vapor 100 gmol/h 300°C Calor total necesario: 1 atm 25°C L1 Condensado www.iqtermodinamica.blogspot.com

Consejo: Realizar ejercicios de termofísica que vienen incluidos en libros de química general (sugerencia serie Schaum de McGraw-Hill)