Fisicoquímica Quinto Semestre

FISICOQUÍMICA TRABAJO SOBRE PROBLEMAS.- PRIMER HEMISEMESTRE (FIQ, CIQ, QUINTO SEMESTRE, ABR - SEP/14) 1.

La nitroglicerina, un compuesto explosivo, se descompone de acuerdo con la ecuación:

C3H5(NO3)3 (s)  CO2 (g) + H2O (g) + N2 (g) + O2 (g) Balancee la ecuación y calcule el volumen total de los gases recolectados a 1.2 atm y 25 ºC a partir de 2.6 x 102 g de nitroglicerina. ¿Cuáles son las presiones parciales de los gases en estas condiciones? 3

2.

Un cilindro cuya capacidad es de 2.03 pies   contiene oxígeno en forma de gas inicialmente a 100 PSIa y 70°F, existiendo una fuga en el tanque se le descubrió hasta que la presión había descendido a 75 PSIa, habiendo permanecido constante la temperatura. Suponiendo un comportamiento de gas ideal, determinar cuantas libras de oxígeno se habían escapado hasta el momento que se descubrió la fuga.

3.

3

Un tanque rígido de 20 pies   de capacidad contiene aire a 100 PSIa y 70°F, el tanque está provisto de una válvula de alivio que se abre cuando la presión es de 125 PSIa y se cierra cuando la presión es de 120 PSIa. Si un incendio ocasiona que la válvula funcione: a) ¿Qué temperatura tiene el aire cuando la válvula se abre? b) ¿Qué cantidad de aire se pierde durante el incendio? Supóngase que la temperatura del aire en el tanque se mantiene durante la descarga.

4. Calcular las presiones que se pueden predecir para 1 mol de n-octano confinado en 20 dm3 a 200°C empleando las ecuaciones a) del gas ideal, b) del gas de van der Waals (a= -2 -1 37,32 dm6 atm mol  y b= 0,2368 dm3 mol ); c) del factor de compresibilidad.

5.

El factor de compresibilidad del nitrógeno a -50°C y 800 atmósferas es 1,95 y a 100°C y 200 atmósferas es 1,10. Una cierta cantidad de nitrógeno ocupa el volumen de 1 litro a -50 °C y 800 atmósferas. Calcular el volumen ocupado por la misma cantidad de nitrógeno a 100 °C y 200 atmósferas.

6.

Un gas imperfecto (M=80) se conforma con la ecuación de Van der Waals. Para este gas, Tc = 403K y Pc = 80 atm. Estimar: a) bajo que condiciones de T y P sería el coeficiente de compresibilidad, z > 1 y z < 1; y,  b) calcular zc que corresponde al punto crítico.

7.

Para el etano Pc=48 atm y Tc = 305,15 K. Trazar un gráfico Z vs. P de 1 a 50 atm con intervalos de 10 atm. Explicar la naturaleza de la curva.

8. Una masa de aire que se encuentra a 100°F, 1 atm y 60 % de humedad relativa se enfría hasta 70°F, manteniendo constante la presión. a) con el diagrama psicrométrico determinar

la humedad relativa final; b) el cambio de humedad específica y de entalpía ; y, c) en diagrama t-s representar el proceso con la indicación de las temperaturas de bulbo seco, de  bulbo húmedo y de rocío con las presiones del vapor de agua que correspondan al indicado  proceso.

9. Un recipiente cerrado se llena con agua a 14,7 PSia y 70°F. Si se expone el recipiente a los rayos solares, se puede ocasionar que la temperatura del agua suba a 150°F. Cuál sería el aumento en la presión si: a) el tanque es verdaderamente rígido; b) el volumen del tanque aumenta 1,0 % . Qué comentario le merecen los resultados.

10. Utilizando los datos disponibles en tablas, obtener valores aproximados de Cp, (dh/dp)T ; y, (dT/dP)h para el vapor de agua a 80 PSIa y 600°F.

11. Para el agua a 50°C, v = 1,012 cm3/g ; c p = 0,998 cal/g K y      °C-1 . A  partir de estos datos, calcular la temperatura final que alcanza 1 gramo de agua que efectúa un cambio isoentrópicamente desde 50°C y 1 atm hasta alcanzar 1000 atm.

12. Calcular el trabajo reversible de compresión de 1000 gramos de un líquido cuya densidad -

es 0 ,83 g cm-3 cuando la presión aumenta de 1 a 100 atm. a 25o C , siendo    = 6,7  x 10 -5 atm 1 . Graficar el proceso

13.  Para el agua líquida a 25 o C  ,    2,07 x 10 4  K 1 . La densidad puede tomarse como 1,000  x 10 3 kg  m 3 . Un mol de agua líquida se comprime isotérmicamente, 25 o C  , de 1 atm a 1000 atm. Calcular S , a) suponiendo que el agua es incompresible; esto es,     0 ; b) Suponiendo que  



4,53 x 10 5 atm 1 .

14. Se duplica el volumen de una mol de gas ideal que esta inicialmente a 5 atm de presión a 25ºC mediante expansión a) isotermal , b) adiabática, c) mediante expansión sujeta a la restricción: P = 0.1 V + b donde V en litros y P en atm. Trazar las curvas en función de PV y calcular Q, L, U ,  H , S  para las tres transformaciones.

15. Calcular  H , S  para la compresión a 400 K de CO2 desde 0,100 MPa, asumiendo a) -2

-1

gas ideal y b) gas de van der Waals (a= 3, 592 dm6 atm mol  y b= 0,04267 dm3 mol ). En coordenadas P-V; P-T y V-T represente la ecuación de estado  P (V   b)   RT  ; b) Derivar la ecuación para calcular el trabajo de expansión isotérmico reversible de un gas que obedece dicha ecuación de estado desde P1,V1 hasta P2,V2; c) Represente este trabajo en el diagrama de coordenadas P-V con la indicación de los estados inicial y final del gas. 16.

17. Construir los gráficos S-V y H-T que sean consistentes con la definición del Ciclo de Carnot.

18. Fluye aire a través de un ducto perfectamente aislado. En una sección a, la presión y la temperatura son respectivamente de 2 bar y 200ºC; y, en otra, sección b, más adelante en el

ducto, los valores correspondientes son: 1,5 bar y 150ºC. En qué sentido fluye el aire. Justificar la respuesta mediante cálculos. Secciòn a: 2 bar y 200ºC sección b: 1,5 bar y 150ºC

1

 f  H (CO2, g  )   393,51kJ  mol 

19.- Dados los datos: 1  f  H ( H 2 O(l ) )   285,8 kJ  mol 

1

; y,  f  H (SO2, g  )   296,8 kJ  mol 

Calcular el poder calorífico (kcal/kg ) superior de la gasolina (C8H18) y diesel (C17H36). Presentar los resultados tabulados.

20. Calcular el poder calorífico superior y el poder calorífico inferior para la combustión del n butano, dada la siguiente información a las condiciones de referencia (datos en Kcal mol -1 ): o o o  f  H 298 (n - butano)= - 29,812,  f  H 298 ( CO2(g) ) = - 94,0518,  f  H 298 (  H 2 O(g) ) = - 57,7979, o

 f  H 298 (  H 2 O(l) ) = - 68,3174,

Reportar los resultados en kcal/kg y BTU/lbm.

21. Demostrar si para el aire son válidas las expresiones: 1 lb.mol de O2 + 3,76 lb.mol de N2 = 4,76 lb.mol de aire 1 lb.m de O2 + 3,30 lb.m de N2 = 4,30 lb.m de aire

22. Un galón de gasolina en un motor de automóvil produce en promedio 9.5 kg de dióxido de carbono (un gas de invernadero, es decir, promueve el calentamiento de la atmósfera terrestre). Calcule la producción anual de este gas, en kilogramos, si existen 40 millones de autos en Estados Unidos, y cada uno cubre una distancia de 5000 millas con una velocidad de consumo de 20 millas por galón.

23 A 60oF, la densidad del propano y n- butano, ambos al estado líquido, es 4,23 y 4,86 libras/galón, respectivamente. Los dos son componentes del combustible GLP. Asumiendo que éste es una mezcla de 70%V en propano y 30% V en n-butano, calcular a) la densidad de o la mezcla líquida; b) el número de pies cúbicos de gas a 14,7 PSI y 60 F presentes en un galón de la mezcla líquida; c) el volumen de líquido de 15 kg de combustible, d) Si la capacidad del cilindro utilizado para comercializar cargas de 15 kg de combustible es de 36 L, cuál es el  porcentaje del llenado del recipiente?.

24.  Un alcohol tiene la siguiente composición porcentual en peso: C: 52,2%; H2:13,0%; O2:34,8%. Calcular el poder calorífico superior e inferior, expresado en BTU/lb.m. 1 1  f  H (CO2( g ) )   393.51 KJ  mol  ;  f  H ( H 2 O(l ) )   285,3 KJ  mol  ; 1

 f  H ( H 2 O( v ) )   242,3 KJ  mol 

25. Un combustible presenta la siguiente composición química: H2= 5,2%; C=73,5%; O2=6,6%; S= 10%; H2O=4,7% en peso. Calcular, A) a 0,72 atm y 20ºC, el volumen de aire

3

teórico en m , necesario para la combustión de 1 lb.m del combustible; y, B) el volumen de nitrógeno producido en el proceso. C) A su juicio se trata de un combustible contaminante? Si o no, justifique por qué?

26. Una concentración de 8,00 x 102 ppm en volumen de CO se considera letal para el ser humano. Calcular la masa mínima de CO en gramos que sería letal en un cuarto cerrado de 17,6 m de largo, 8,80 m de ancho y 2,64 m de alto. La temperatura y presión son 20ºC y 756 mmHg, respectivamente.

27. Para la combustión del gas butano, calcular: a) el número de pies cúbicos de aire a 14,7 o

PSI y 60 F necesarios para quemar 1 pie cúbico de gas; y, b) el volumen de aire en pies cúbicos a las mismas condiciones, necesario para quemar 1 libra de gas.

28. Tanto el etanol como la gasolina (supuestamente constituida en su totalidad por octano, C 8 H 18 ) se utilizan como combustibles para automóviles. Si la gasolina se vende a 1,20 dólares/galón, cuál debe ser el precio del etanol para proporcionar la misma cantidad de calor o  por dólar. La densidad y  f  H   del octano son 0,7025 g/mL y -249,9 kJ/mol, y los del etanol son 0,7894 g/mL y -277,0 kJ/mol.

29. Un mol de un gas 1 se mezcla con 2,67 moles de un gas 2. En porcentajes por volumen, el gas 1 se compone de 60% de metano, 30% de etano y 10% de propano; y, el gas 2 es una mezcla de 80% metano, 15% de etano y 5% de propano. Calcular para la mezcla resultante: a) la composición; b) el peso molecular y c) el volumen obtenido expresado en pies cúbicos normales (PCN)

30. Para un combustible que contiene carbono, hidrógeno y azufre, escribir las ecuaciones 3

que definen el peso de oxígeno (kg); el peso de aire (kg) y el volumen de aire (N m ) si la combustión es completa.

31. Calcular el volumen de aire en litros a 35oC y 790 mm Hg que se requiere para quemar 227 g de etanol en condiciones de combustión completa. Asumir que la composición del aire seco es 21% de oxígeno y 79% de nitrógeno, en volumen).

32. El etanol (C2H5OH) se quema en el aire: C 2 H 5 OH ( l )

 O 2 ( g )  CO 2 ( g )  H 2 O ( l )

Balancee la ecuación y determine el volumen de aire en litros a 35.0 ºC y 790 mm Hg que se requieren para quemar 227 g de etanol. Suponga que el aire contiene 21.0% de O2 en volumen. Calcule el requerimiento de aire si la reacción produce 1% de CO.

33. El motor de un automóvil produce monóxido de carbono, un gas tóxico, a una velocidad de unos 188 g de CO por hora. Un auto se deja encendido en un estacionamiento mal ventilado que tiene 6.0 m de largo, 4.0 m de ancho y 2.2 m de altura a 20 ºC. A) Calcule la velocidad de producción de CO en moles por minuto. B) ¿Cuánto tiempo tomaría acumular una concentración letal de CO de 1000 ppmv (partes por millón en volumen).?