Termoquimica

Taller de Termodinámica Química
1. Considere que el aparato que se muestra en la figura. Inicialmente se ha confinado N2 (g) en la cámara A con un volumen de 1L a 2.0 atm de presión. L a cámara B, con un volumen de 1 L, ha sido evacuada. Cuando se abre la llave de paso, el N2(g) se expande a ambos recipientes.
a. Considerando que el N2 se comporta como un gas ideal, ¿Cuál es el ∆H paraeste proceso?
b. Describa el proceso por el cual el gas podría regresar a su posición original. ¿Qué cambio de ∆H ocurre en el sistema en este proceso?
c. ¿Cuáles son los cambios de G y H del sistema para los procesos generales de expansión, seguido por compresión al estado de la condición general?
d. En este proceso general, ¿hay trabajo hecho por el sistema sobre el entorno o delentorno sobre el sistema?
e. Describa como este ejemplo ilustra la segunda ley de la termodinámica.
Explique claramente cada una de las respuestas.

Solución:
a.
N2 Gas Ideal
V1 = 1litro V2= 2litros
P1 = 2 atm T= constante
P1V1 = P2V2
(2)(1)= P2(2) P2= 1atm
La expansión del gas del sistema AB es un proceso isotérmico, el cual puede ser considerado espontaneo debido a que seabre la llave y pasa el gas a ocupar todo el volumen del aparato, al ser un proceso isotérmico el cambio de la energia interna es cero.
El cambio de energía esta íntimamente relacionado con el cambio de entalpia. Si el cambio de energía es cero entonces el cambio de entalpia es cero.
Podemos demostrar matemáticamente lo anterior usando las siguientes ecuaciones.
∆H= T1T 2 CP,V dt ∆H= CP,V T1T2 dt
∆H= CP,V ∆t
Si ∆H= 0 T1=T2
b.
Para regresar el sistema a su posición original, se debe aplicar una fuerza sobre el émbolo, de modo de comprimir el gas hasta llevarlo al recipiente A. Este proceso se hace a presión constante, donde el entorno realiza un trabajo sobre el sistema.
Se tiene que:
∆H= ∆E + P ∆V
El cambio de entropía se halla mediante la siguiente ecuación:
∆H= ∆E + P∆V ∆E= 0 (ISOTERMICO)
∆H= P ∆V donde P es la presión aplicada al embolo
c.
∆G y ∆H Para expansión.
∆G= T ∆S ∆H= 0 por lo mencionado en el ejercicio anterior.
∆G= T ∆S ∆H – T ∆S
∆G= -T ∆S ∆G= -T N R Ln V2/V1 (1)
P1V1= NRT (*)
Reemplazando (*) en (1)
∆G= P1V1 Ln V2/V1 = (1 l)(2 atm) Ln (2/1)= 1.384 atm.L
∆G y ∆H para compresión
∆H= ∆E – P ∆V
∆G= ∆E –P ∆V – T N R Ln V2/V1 V2= 1 Litro V1= 2Litros

d.
El gas cuando se expande no realice trabajo es decir una expansión espontanea, pero luego con la compresión el entorno realiza un trabajo sobre el sistema. Esto porque para comprimir el gas se necesita una fuerza externa que lo haga llegar a su estado inicial.

e.
La expansión isotérmica del gas permite que haya desordenmolecular, lo que lleva a que se dé un aumento de la entropía. Además de ser un proceso irreversible el cambio de entropía siempre será mayor que cero.

2. El gas A2 reacciona con el gas B2 para formar el gas AB a temperatura constante. La energía de enlace de AB es mucho mayor que la energía de enlace de sus reactantes.
a. ¿Qué se puede decir acerca del signo de ∆H, ∆Sentorno y∆Ssistema?
b. Explique cómo cambia la energía potencial en este proceso
c. Explique cómo cambia la energía cinética en este proceso.
Solución:
a.
El cambio de entropía del sistema para la reacción es negativo, debido a que las moléculas en los reactivos están en un nivel de desorden mayor al de los productos porque en los reactivos la energía de enlace es menor, esto hace que las moléculastengan mayor grado de libertad lo que ocasiona mayor entropía; en cambio en el producto la energía de enlace es mayor y esto hace que disminuyan los grados de libertad de las moléculas ocasionando una diferencia de entropía negativa.
El cambio de energía es positivo porque la energía de enlace en os productos es mayor que en los reactivos, y esto hace que el cambio de entalpia sea positivo...