fisicoquimica ejercicios resueltos

PROBLEMARIO TERMODINAMICA Y CINETICA Profesora: Zaida Parra Mejías

INDICE Capítulo 1. Energía, Calor, Trabajo  la pri!era "e de la Ter!odin#!i$a

%

Capí Capítu tulo lo &. Pri! Pri!er era a "e "e  'pl 'pli$ i$a$ a$i( i(n n a di difere feren ntes tes Pro Pro$e $essos

)

Capítulo %. Entalpía  Ter!o*uí!i$a

1&

Capítulo +. Entropía, Energía "ibre  E*uilibrio

&1

Capítulo . Cineti$a  Me$anis!os de -ea$$i(n

&

Capítulo ). -ea$$iones Nu$leares

&

 Introducción

Este problemario ha sido preparado con la finalidad de ser utilizado como material de apoyo en la enseñanza de la Termodinámica y la Cinética, a un nivel correspondiente al segund segundo o curso curso de Químic Química a enera eneral, l, dictad dictado o por profes profesore ores s del depart departame amento nto de Química de la !acultad de Ciencias de la "niversidad de los #ndes, para los estudiantes estudiantes de las licenciaturas de Química y $iología de la misma !acultad% El material presentado es una recopilaci&n de problemas 'ue han sido utilizados, a trav través és de vari varios os años años,, por por prof profes esor ores es del del área área doce docent nte e de !isi !isico co'u 'uím ímic ica a del del departamento de Química, 'ue tienen ba(o su responsabilidad el dictado del curso% )a escogencia, resoluci&n y verificaci&n de los problemas fue realizada por la *rofa% +aida *arra e(ías y transcritos en su gran mayoria por el ahora )icenciado -ergio .osell%

)os problemas se presentan en cuatro modalidades/ modalidades/ i0 *roblemas planteados y resueltos paso a paso en su totalidad% ii0 *robl *roblema emas s plante planteado ados s y resuel resueltos tos en forma forma es'uem es'uemáti ática ca y prese presenta ntando ndo solo solo la respuesta al final% iii0 *roblemas planteados y no resueltos, pero incluyendo la respuesta% iv0 *roblemas solamente planteados, sin dar ni la soluci&n ni la respuesta final% El ob(etivo perseguido, con esta combinaci&n en la presentaci&n del material, es la de ayudar al estudiante a través de la modalidad i0 a familiarizarse con los conceptos y ecuaciones involucradas en el t&pico% )os problemas presentados en la modalidad ii0 ayudarán al estudiante a resolver los problemas con una guía 'ue les permita hacer un seguim seguimien iento to de su desarr desarroll ollo1 o1 una vez 'ue el estudi estudiant ante e haya haya avanza avanzado do y tenga tenga confianza en los conocimientos ad'uiridos puede pasar a los problemas de modalidad iii0 , 'ue le permite che'uear su respuesta final, y por 2ltimo realizar los problemas de modalidad iv0 cuya soluci&n representará para el estudiante el dominio completo del material ba(o estudio%

Bibliografía

3%

#t4i #t4ins ns,, *% *% 5%, 5%, !isi !isico co Quim Quimic ica, a, Edit Editor oria iall #d #ddi diso son6 n65e 5esl sley ey

7%

#t4ins, *% 5%, Physical Chemistry , 5% 8% !reeman and Company%

Departamento de Química Facultad de Ciencia !ni"eridad de lo Ande

Capítulo 1. Energía, $alor  Trabajo  la Pri!era "e de la Ter!odina!i$a 3%3 3%3

Qué Qué es es la la ene energ rgía ía inte intern rna a de de un un sis siste tema ma9 9

3%7 3%7

-i la la pri prim mera era ley ley se esc escribe ribe como omo

∆E

: ' ; 5, ee su respuesta en calorías y (oules% -oluci&n/

w = m ⋅ g  ⋅ h 

3%I

w=

0.5  Kg ⋅ 9.8 m

 s 2

⋅ 1000 m =

4900  J  = 1170.345 cal 

-i el calor específico de una sustancia es Cp : 3% calJgKC% GCuál es la energía transferida, si se calienta una masa de 3%o g de dicha sustancia, desde =DKC hasta @AKC9%

-oluci&n/ T 2

∆ E  = ∫ C esp ⋅ dT  = Cv ⋅ (T 2 − T 1 )



T 1

∆ E  =

3%3

1.6 cal  ⋅ 100   g  ⋅ ( 45 − 37 ) º C  = 1280 cal   g ⋅º C 

Considere un sistema 'ue contiene un mol de un gas monoat&mico retenido por un pist&n% GCuál es el cambio de energía interna del gas, si ' : A% L y M : 3% L9% -oluci&n/ ∆ E  = q − w  ∆  E  = 50.0  J  −100.0  J  = −50.0  J 

3%33

-i en un proceso dado, el cambio neto & total de energía interna de un sistema es de 3% cal, y el mismo realiz& un traba(o de M : 3% cal, determine el calor transferido al sistema%

-oluci&n/ ∆ E  = q − w  q = ∆ E  + w = 100 cal  +100 cal   q = 200 cal 

3%37

GCuál será el valor de ' si el cambio en energía interna de un gas ideal, durante un proceso dado fue de ∆E : % y el traba(o realizado fue de 3% cal9% -oluci&n/ ∆ E  = q − w ,

3%3=

pero ∆E:



q = w



q

=100.0

cal 

GCuál será el traba(o realizado, al ocurrir un cambio de estado en un sistema, si ' :  y ∆E : A@A calJmol9% -oluci&n/

∆ E  = q − w ,

3%3@

pero ':



∆ E  = −w



w = − 545 cal 

mol 

"n sistema realiza un cambio de estado en dos etapas% El calor absorbido, y el cambio en energía interna total, al final del proceso fueron de 3% cal y =% cal respectivamente% -i el traba(o realizado en la primera de las etapas fue de % cal% >etermine el traba(o realizado en la segunda etapa% -oluci&n/

∆ E T  = qT  − wT  wT 

3%3A

= w I  − w II 

 

wT  = qT  − ∆ E T  = (100 − 300) cal  = −200 cal  w II 

= wT  − w I  = −200 cal  − 60 cal  = −260 cal 

-e tiene un sistema formado por un baño de agua, cuya masa es de 7 g, y su temperatura es de 7AKC inicialmente% Este sistema esta conectado al eetermine ∆E, ' y M debido al cambio eatos/ Tebull ?S8=0 : 7=I,D H, Cp ?S8=, l0: 3D,I calJHmol, Cp?S8=, g0 : F,@ calJHmol, Calor de vaporizaci&n del amoníaco a 3 atm y 7=I,D H : A,A HcalJmol% 3F% A moles de un gas ideal se eatos/ Tebull?metanol, 3 atm0 : =@ H, Calor de vaporizaci&n?metanol, 3 atm0 : ,F HcalJmol D%6 *ara la reacci&n/ = C7 87 ?g0 U:::: C  8 ?l0, >atos/ -Z ?C  8 , l0 : 3D7,F LJH mol1

Y8Z : 6 =3 4L

?7A C0

-Z ?C7 87 ,g0 : 7,F LJH mol

F%6 Calcule la variaci&n en la entalpía, entropía y energía libre estandar, a 7A C, para la reacci&n,

87 ?g0 ; C  7 ?g0 U::: 87  ?l0 ; C ?g0 >atos/

Sustanca

  H   

H2 (!)

C"2 (!)

H2" (#)

C" (!)

0

-393%5

-241%8

-110%5

130%5

213%8

188%7

197%9

 &'

$%298 -1

o#  

S  298 & * -1 o#-1 

I%6 "na reacci&n importante 'ue libera energía en sistemas biol&gicos es la hidr&lisis del trifosfato de adenosina ?#T*0 donde se transforma en difosfato de adenosina ?#>*0, su ecuaci&n 'uímica es/ #T* ?ac0 ; ? 87 l0

>* ?ac0 ; 8* @76  ?ac0

⇌ 

El cambio de la energía libre de ibbs estandar, a =D C y p8 D, para esa reacci&n es de 6=,A HL% Calcule el cambio de energía libre en una célula biol&gica en la cual la W#T*X : A, m, W#>*X : ,A m y W8* @76X : A, m% >e acuerdo a su resultado G puede usted concluir 'ue la hidr&lisis del #T* en las condiciones dadas es un proceso espontáneo9 3%6 -e colocan en un recipiente a 3 H, una mezcla de los gases C 7 , C y 7 en cantidades de ,1 ,@ y ,7 atms respectivamente% #0 -abiendo 'ue a 3 H, Hp : ,F atm, averigue si la mezcla de gases dadas se encuentra en e'uilibrio% $0 Calcule el Y y el Yo para la reacci&n/ C ;  7 66666 C 7 C0 -i el sistema no se encuentra en e'uilibrio, En 'ue direcci&n es la reacci&n espontánea9 E