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Tema 4 – Calor y Termodinámica. Efectos Térmicos
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TEMA 4.
CALOR Y TERMODINÁMICA.
EFECTOS TÉRMICOS
Tema 4 – Calor y Termodinámica. Efectos Térmicos
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TEMA 4. CALOR Y TERMODINÁMICA.
EFECTOS TÉRMICOS
9 EFECTOS DEL CALOR SENSIBLE Dependencia de la temperatura de la capacidad calorífica Evaluación de la integral del calor sensible
9 CALOR LATENTE DE SUSTANCIAS PURAS Ecuación de Clapeyron Correlaciones para el cálculo del calor latente (L-V)
9 CALOR ESTÁNDAR DE REACCIÓN
9 CALOR ESTÁNDAR DE FORMACIÓN
9 DEPENDENCIA DEL CALOR ESTÁNDAR DE REACCIÓN CON LA TEMPERATURA
9 EFECTOS TÉRMICOS DE LAS REACCIONES INDUSTRIALES
9 INTRODUCCIÓN Efectos térmicos en procesos físicos Efectos térmicos en reacciones químicas
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INTRODUCCIÓN
Los efectos del calor sensible están caracterizados por cambios de temperatura
Los efectos térmicos de reacciones químicas, transición de fases, y formación y separación de disoluciones se determinan a partir de medidas realizadas a temperatura constante
Cálculo de los efectos de calor (térmicos) que acompañan a: procesos físicos (calor sensible y calor latente) procesos químicos (calor de reacción)
OBJETIVO
TEMA 8-
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EFECTOS DE CALOR SENSIBLE
CALOR SENSIBLE
La transferencia de calor a un sistema que origina un cambio en su temperatura (no existe ni transición de fase, ni reacción química y ni cambios en la composición)
OBJETIVO Obtener relaciones entre la cantidad de calor transferido y el cambio de temperatura resultante
V V T T
U U U
dU = dT + dV C dT + dV T V V
⎛ ∂^ ⎞ ⎛ ∂^ ⎞ ⎛ ∂ ⎞
⎝ ∂^ ⎠ ⎝ ∂^ ⎠ ⎝ ∂ ⎠
El establecimiento del estado termodinámico de este sistema requiere fijar dos propiedades intensivas (F=2; regla de las fases)
CALOR SENSIBLE PARA UNA SUSTANCIA PURA HOMOGÉNEA
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EFECTOS DE CALOR SENSIBLE
DEPENDENCIA DE LA CAPACIDAD CALORÍFICA
CON LA TEMPERATURA
CP = A + BT + CT 2 + DT-
R
¾ El cociente es adimensional
¾ Las unidades de CP dependen de las unidades de R ¾ En la evaluación de la entalpía para gases se emplea la capacidad calorífica de gas-ideal
C P R
mezcla A B C
ig ig ig ig CP = y CA P + y CB P + y CC P
ig CP (^) = A + BT + CT (^2) + DT- R
ig ig C (^) V CP (^) - 1 R R
¾ y son función de la naturaleza del gas y de la temperatura pero independientes de la presión ¾ Para mezclas gaseosas de composición constante:
ig
C P
ig
CV
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EFECTOS DE CALOR SENSIBLE
DEPENDENCIA DE LA CAPACIDAD CALORÍFICA
CON LA TEMPERATURA
ig CP (^) = A + BT + CT (^2) + DT- R
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EFECTOS DE CALOR SENSIBLE
DEPENDENCIA DE CP CON LA TEMPERATURA
GASES
ig CP (^) = A + BT + CT 2 + DT- R
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LÍQUIDOS
EFECTOS DE CALOR SENSIBLE
DEPENDENCIA DE CP CON LA TEMPERATURA
SÓLIDOS
CP = A + BT + DT-
R
CP = A + BT + CT 2
R
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EFECTOS DE CALOR SENSIBLE
EVALUACIÓN DE LA INTEGRAL DEL CALOR SENSIBLE
2 PH 0 0 2 0
B C D C
A + T ( + 1) + T ( + + 1) + =
2 3 T R
Δ H = C P H(T - T ) 0 0
P (^) H
H
T = T +
C
CÁLCULO DE T, conocidos Q(ΔH) y T 0 (cálculo iterativo)
Suponer T (^) S
Calcular T (^) c de (2)
NO
SI
Calcular CP^ Hde (1) ¿T^ S=T^ C? T
0
T (^) P T
C dT ∫ R
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CALOR LATENTE DE SUSTANCIAS PURAS
El cambio de estado a una determinada presión de una sustancia pura ocurre a temperatura constante El proceso requiere la transferencia de una cantidad finita de calor a la sustancia. Este efecto térmico se conoce como calor latente Fusión (S-L), Vaporización (L-G), o Sublimación (S-G) En procesos de cambio de fase coexisten dos fases (1 componente, 2 fases: F=1). Su estado quedará determinado por una única propiedad intensiva El calor latente que acompaña a un cambio de fase es función exclusivamente de la temperatura
dP^ sat H = T V dT
Δ Δ ECUACIÓN DE CLAPEYRON
pendiente de la curva presión de vapor-temperatura a la temperatura T
cambio de volumen molar que acompaña al cambio de fase
calor latente a la temperatura T
dP^ sat dT ΔV
Δ H
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CALOR LATENTE DE SUSTANCIAS PURAS
CORRELACIONES PARA EL CÁLCULO
DEL CALOR LATENTE DE VAPORIZACIÓN
n
n n C r
H T 1,092(lnP - 1,013)
R 0,930 - T
¾ Predicción del calor de vaporización en el punto de ebullición normal (a presión atmosférica)
ECUACIÓN DE RIEDEL
¾ Predicción del calor de vaporización de un líquido puro a una determinada temperatura a partir del valor conocido a otra temperatura
2 1
0, 2 r 1 r
H 1 - T
H 1 - T
Δ ⎛^ ⎞
ECUACIÓN DE WATSON
¾ Estimación del calor de vaporización de un líquido puro en el punto de ebullición normal
n n
H
RT
∼ REGLA DE TROUTON
PC (bar)
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EFECTOS TÉRMICOS DE REACCIONES QUÍMICAS
Las reacciones químicas están acompañadas: ¾ por una transferencia de calor de los reactivos a la T de reacción ¾ por un cambio de temperatura durante el curso de la reacción ¾ por ambas situaciones
Las reacciones se pueden llevar a cabo de diferentes maneras con un efecto térmico asociado
Los efectos térmicos para reacciones que se realizan de diferente manera pueden calcularse a partir de datos para reacciones que
se realizan de modoestándar
El calor asociado con una reacción química depende las temperaturas de reactivos y productos El cálculo se simplifica si los reactivos y los productos están a la misma temperatura
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CALOR ESTÁNDAR DE FORMACIÓN
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CALOR ESTÁNDAR DE FORMACIÓN
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CÁLCULO DEL CALOR ESTÁNDAR DE REACCIÓN
° 2 2 2 f 298 ° 2 f 298 ° 2 f 298 2 2
CO (g): C(s) + O (g) CO (g) H = -393.509 J H (g): el hidrogeno es un elemento H = 0 J CO(g): C(s) + 1 2O (g) CO(g) H = -110.525 J H O(g): H (g) + 1 2
⎯⎯→ Δ Δ ⎯⎯→ Δ ° O (g) 2 ⎯⎯→ H O(g) 2 ΔHf 298 = -241.818 J
° 2 2 f 298 ° 2 f 298 ° 2 2 2 f 298
CO (g) C(s) + O (g) H = 393.509 J C(s) + 1 2O (g) CO(g) H = -110.525 J H (g) + 1 2O (g) H O(g) H = -241.818 J
⎯⎯→ Δ ⎯⎯→ Δ ⎯⎯→ Δ
° ° ° ° ° H 298 = Hf 298 (CO(g)) + Hf 298 (H O(g)) - 2 Hf 298 (CO (g)) - 2 Hf 298 (H (g)) 2 = 41.116 J
Δ Δ Δ Δ Δ
CO (g) + H (g) 2 2 ⎯⎯→CO(g) + H O(g) 2
2 2 2 298 CO (g) + H (g) ⎯⎯→ CO(g) + H O(g) ΔH° = 41.166 J
Ejemplo
Cuando las reacciones químicas de formación se combinan por adición, los calores estándar de formación se pueden sumar para dar el calor estándar de una reacción resultante
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CALOR ESTÁNDAR DE REACCIÓN
Para la reacción química general:
ν 1 A 1 + ν 1 A 2 + ... ⎯⎯→ ν 3 A 3 + ν 4 A 4 + ...
Ai : especie química i : coeficiente estequiométrico : número estequiométrico (+) para productos (-) para reactivos
ν i ν (^) i
° ° 298 i f,i 298 i
ΔH = (^) ∑ νΔH
La entalpía de una especie química en su estado estándar es igual a su calor de formación más las entalpías de los elementos constituyentes en su estado estándar (valor CERO) La entalpía de un determinado compuesto en su estado estándar es igual a su calor de formación ° ° ° 298 i i 298 i i, f 298 i i
Δ H = (^) ∑ ν H = (^) ∑νΔH
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EFECTOS TÉRMICOS DE LAS
REACCIONES INDUSTRIALES
Las reacciones industriales (reales) raras veces se llevan a cabo bajo condiciones de estado estándar 9 Los reactivos no están en proporciones estequiométricas 9 La conversión no es completa 9 La temperatura final difiere de la inicial 9 Pueden existir inertes en el medio de reacción 9 Reacciones simultáneas
EJEMPLO
N (g) + C H (g) 2 2 2 ⎯⎯→2HCN(g)
Una mezcla equimolar de nitrógeno y acetileno se alimentan a un reactor en flujo en estado estacionario a 298 K y presión atmosférica. La conversión es del 28,2% y los gases salen del reactor a 600 ºC. Determinar el calor que debe suministrarse al sistema por mol de gas alimentado
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-1 ° ° Q (J molalimentac. ) = ΔH = ΔH 298 + ΔHPROD.
° ΔH 298
° ΔHPROD.
Δ H
Reactivos 298 K 0,5 mol N 2 0,5 mol C 2 H 2
Productos 298 K 0,379 mol N 2 0,379 mol C 2 H 2 0,242 mol HCN
Productos 873 K
Conversión 28,2%
EFECTOS TÉRMICOS DE LAS
REACCIONES INDUSTRIALES
EJEMPLO N (g) + C H (g) 2 2 2 ⎯⎯→2HCN(g)
2 2
° ° ° ° 298 i f,i 298 f(HCN (g)) 298 f,(C H (g)) 298 i
H = H = 2 H - H =
= (2 135.100 - 227.480) J/2 mol HCN 0,242 mol HCN = = 42.720 J/2 mol HCN 0,242 mol HCN = 5.169,12 J
Δ νΔ Δ Δ
× × ×
∑
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° ° Q = ΔH = Δ H 298 + ΔHPROD.
EFECTOS TÉRMICOS DE LAS
REACCIONES INDUSTRIALES
EJEMPLO
° P 0
H PROD. 0
C
H = R (T - T ) T = 873K T =
R
Δ 298 K
i i i i i i P (^) H i i 2 2 i i (^0 0 ) i (^0)
C n B^ n C^ n D = n Ai + T ( + 1) + T ( + + 1) + R 2 3 T
τ τ τ τ
∑ ∑ ∑ ∑
i i i i i i 4 2 i i i i i i
n A = 4,7133 n B = 1,2934 10 K
n C = 0 n D = -6,526 10 K
∑ ∑
∑ ∑
C P (^) H = 5, R
° PH 4 PROD. 0
C
H = R (T - T ) = 2,495 10 J
R
° ° 4 Q = Δ H = Δ H 298 + ΔHPROD. = 5.169,12 + 2,495 10 = 30119 J
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EFECTOS TÉRMICOS DE LAS
REACCIONES INDUSTRIALES
CH (g) + 2O (g) 4 2 CO (g) + 2H O(g) 2 2 Determinación de la temperatura teórica de llama
⎯⎯→
4 2 2 2 2 2
CH (g) + 2H O(g) CO(g) + 3H (g) CO(g) + H O(g) CO (g) + H (g)
⎯⎯→ ⎯⎯→
