¡Descarga Taller-2-Segunda-Ley y más Ejercicios en PDF de Fisicoquímica solo en Docsity!
INSTITUCIONAL DE ALTA
CALIDAD RESOLUCIÓN No.
004140 de 22 de abril de 2019
Facultad de Ciencias Básicas
Programa de Química
TALLER 2: SEGUNDA LEY
1
Andrés Mauricio Abuabara Guardias,
1
Luis Eduardo Echeverría Pedrozo,
1
Diana Carolina Jiménez,
1
Olga Lucia Ayala Díaz
1
Estudiantes del programa de Química, Facultad de Ciencias Básicas, Universidad del Atlántico, Puerto Colombia,
Colombia.
1. Explique de tres maneras diferentes que es la entropía y cuáles son sus unidades.
Inicialmente tenemos que las unidades en las que se expresa la entropía son: J/K; J/K*mol;
Cal/K.
Por otro lado, tenemos tres maneras diferentes de explicar el fenómeno de la entropía:
- La entropía se puede definir como una función de estado extensiva, dependiente de la
temperatura y del volumen, en la que el cambio en un proceso de carácter reversible dentro
de un sistema cerrado será igual a Q/T.
- Se puede conocer como la capacidad de transformación; transformación de calor a trabajo.
- También se puede decir que es una magnitud que en un sistema termodinámico en
equilibrio, mide el número de micro estados compatibles (probabilidad) con el micro estado
en equilibrio, siendo la razón de un incremento entre energía interna, frente a un incremento
de temperatura del sistema.
2. Clasifique los siguientes procesos como reversibles o irreversibles:
(a) Congelación del agua a 0 °C y 1 atm: REVERSIBLE
(b) Congelación del agua superenfriada a 10 °C: IRREVERSIBLE
(c) Rodar una pelota en el suelo con fricción: IRREVERSIBLE
(d) Generación de calor por paso de corriente a través de un cable: IRREVERSIBLE
3. Para cada cada par de moléculas indique cual esperaría que tuviera mayor entropía
estándar: (a) C 2 H 2 (g) y C 2 H 6 (g) (b) CO(g) y CO 2 (g); justifique su respuesta.
(a) C 2
H
2
(g) y C 2
H
2
(g)
(b) CO (g) y CO 2
(g)
Antes que nada debemos tener claro que la entropía de los gases es mayor que la de los
líquidos, y la de estos mayor que la de los sólidos por tanto estas moléculas al encontrase en
INSTITUCIONAL DE ALTA
CALIDAD RESOLUCIÓN No.
004140 de 22 de abril de 2019
Facultad de Ciencias Básicas
Programa de Química
estado gaseoso “de mayor entropía” tendrá mayor entropía la que tenga un mayor número de
átomos. Por tanto las moléculas que están a la derecha (subrayadas) tendrán mayor entropía.
4. Como es el cambio de entropía cuando:
(a) un sólido sublima: AUMENTA LA ENTROPÍA
(b) un gas es licuado: DISMINUYE LA ENTROPÍA
(c) un sólido funde: AUMENTA LA ENTROPÍA
5. Si en una reacción química dos gases se combinan para formar un sólido como
esperaría que fuera el cambio de la entropía de la reacción mayor igual o menor que
cero.
La entropía es la medida de la aleatoriedad o desorden del sistema. Cuando los dos gases se
combinan para formar un sólido, da como resultado que la entropía del sistema disminuya,
es decir, una disminución del desorden. Después de la reacción, los dos gases unidos no
pueden flotar libremente entre sí.
6. La entropía aumenta disminuye o permanece constante cuando: (a) la temperatura
aumenta, (b) el volumen aumenta, (c) las sustancias se mezclan. Justifique su respuesta.
Un líquido tiene una entropía mayor que la del sólido del que procede. En un sólido los
átomos, moléculas o iones están fijos en una posición; en un líquido estas partículas son libres
para moverse de un lado a otro.
Un gas tiene una entropía mayor que la del líquido del que proviene. Cuando se produce la
evaporación, las partículas adquieren una mayor libertad para desplazarse. Están distribuidas
a través del recipiente completo en vez de permanecer restringidas en un pequeño volumen.
INSTITUCIONAL DE ALTA
CALIDAD RESOLUCIÓN No.
004140 de 22 de abril de 2019
Facultad de Ciencias Básicas
Programa de Química
7. Sin utilizar las tablas termodinámicas, como esperaría que fuera el cambio de
entropía para estas reacciones, mayor igual o menor que cero:
a) 2SO 2 (g) + O 2 (g) 2SO 3 (g) Menor (Disminuye la entropía)
b) Ba (OH) 2
(s) BaO(s) + H 2
O (g) Mayor (Aumenta la entropía)
c) CO (g) + 2H 2
(g) CH 3
OH (I) Menor (Disminuye la entropía)
d) FeCl 2
(s) + H 2
(g) Fe(s) + 2HCl (g) Mayor (Aumenta la entropía)
En este caso hay que tener en cuenta varios factores como lo son el cambio de fase o bien
sea el número de átomos o moles, tendrá mayor entropía la que tenga un mayor número de
átomos.
8. Determine la entropía estándar de reacción para las siguientes reacciones (utilice las
tablas termodinámicas al final del taller), en cada caso explique el signo de ΔS:
∆𝑠° = ∑
𝑚
𝑆°
𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑠
− ∑
𝑛
𝑆°
𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑜𝑠
a) 𝒄
𝟐
𝑯(𝒈) + 𝑯
𝟐
(𝒈) → 𝑪
𝟐
𝑯
𝟔
(𝒈)
𝐽 𝐽 𝐽
∆𝑠° = [229,
𝑚𝑜. 𝑘
− (219,
𝑚𝑜. 𝑘
𝑚𝑜. 𝑘
)]
𝐽
b) 𝑵
𝟐
𝟎(𝒈) → 𝟐 𝑵𝑶
𝟐
(𝒈)
∆𝑠° = −120,
𝐽
𝑚𝑜𝑙. 𝑘
𝐽
∆𝑠° = [(2 × 240.
𝑚𝑜.
) − (304.
𝑚𝑜𝑙. 𝑘
)]
𝐽
∆𝑠° = 176.
c) 𝑩(𝑶𝑯)
𝟐
(𝒔) → 𝑩𝒆𝑶(𝒔) + 𝑯
𝟐
𝑶 (𝒈)
𝑚𝑜𝑙. 𝑘
𝐽 𝐽 𝐽
∆𝑠° = [(13.
𝑚𝑜. 𝑘
𝑚𝑜. 𝑘
) − 50.
𝑚𝑜. 𝑘
]
𝐽
∆𝑠° = 152.
𝑚𝑜𝑙. 𝑘
INSTITUCIONAL DE ALTA
CALIDAD RESOLUCIÓN No.
004140 de 22 de abril de 2019
Facultad de Ciencias Básicas
Programa de Química
d) 𝟐𝑪𝑯
𝟑
𝑶(𝒈) + 𝟑𝑶
𝟐
(𝒈) → 𝟐𝑪𝑶
𝟐
(𝒈) + 𝟒𝑯
𝟐
𝑶 (𝒈)
𝐽 𝐽 𝐽 𝐽
∆𝑠° = [((2 × 213.
𝑚𝑜.
) + (4 × 188.
𝑚𝑜𝑙. 𝑘
)) − ((2 × 237.
𝑚𝑜. 𝑘
) + (3 × 205.
𝑚𝑜. 𝑘
)) ]
𝐽
∆𝑠° = 92.
𝑚𝑜𝑙. 𝑘
e) 𝑵
𝟐
𝑯
( 𝒈
)
𝟐
( 𝒈
) → 𝟐𝑵𝑯
𝟑
(𝒈)
𝐽 𝐽 𝐽
∆𝑠° = [(2 × 192.
𝑚𝑜.
) − (238.
𝑚𝑜𝑙. 𝑘
𝑚𝑜. 𝑘
)]
𝐽
∆𝑠° = 15.
𝑚𝑜𝑙. 𝑘
f) (𝒔) → 𝑶
𝟐
(𝒈) + 𝑲𝑶
𝟐
(𝒔)
𝐽 𝐽 𝐽
∆𝑆° = [(122.
𝑚𝑜.
) − (64.
𝑚𝑜𝑙. 𝑘
𝑚𝑜. 𝑘
)]
𝐽
∆𝑆° = −147.
𝑚𝑜𝑙. 𝑘
g) 𝑴(𝑶𝑯)
𝟐
( 𝒔
)
( 𝒈
) → 𝑴𝒈𝑪𝒍
𝟐
( 𝒔
)
𝟐
𝑶 (𝒍)
∆𝑆° = [(89.
𝐽
𝑚𝑜𝑙 .𝑘
𝐽
𝑚𝑜𝑙 .𝑘
)) − (63.
𝐽
𝑚𝑜𝑙 .𝑘
𝐽
𝐽
𝑚𝑜𝑙 .𝑘
))]
∆𝑆° = −207.2 63.
𝑚𝑜𝑙. 𝑘
h) 𝑪
( 𝒈
)
𝟐
( 𝒈
) → 𝑪𝑯
𝟑
𝑶𝑯(𝒈)
𝐽 𝐽 𝐽
∆𝑆° = [237.
𝑚𝑜. 𝑘
− (197.
𝑚𝑜. 𝑘
𝑚𝑜. 𝑘
))]
∆𝑆° = −221.
𝐽
𝑚𝑜𝑙. 𝑘
INSTITUCIONAL DE ALTA
CALIDAD RESOLUCIÓN No.
004140 de 22 de abril de 2019
Facultad de Ciencias Básicas
Programa de Química
Por consiguiente, aun sabiendo que tenemos la misma muestra liquida con igual
temperatura y presión, estas difieren en los gramos de agua líquida, por lo que el valor de
entropía para los 20 g de agua será el doble del valor obtenido para la de 10 g.
(g) es posible construir maquinas térmicas con eficiencias del 100%: Falso
La mayor eficiencia se obtiene en proceso reversible, no obstante, no es posible construirlo
porque siempre habrá perdida de calor en esos procesos, de ahí que no se encuentren
maquinas con tal eficiencia
(h) para una maquina térmica entre más cercanas las temperaturas de la fuente y el sumidero
mayor será su eficiencia: Falso
Al estar a una temperatura más cercana al sumidero se encuentran en equilibrio
termodinámico por lo que le flujo de cada uno tiende a cero.
𝐹
𝑐
𝑐
𝑓
𝑐
𝑐
10. Calcule el cambio total de entropía para el siguiente proceso: la transformación de
72 Kg de agua a 140 °C en fase vapor hasta agua sólida a - 30 °C. Cp vapor=
0,48cal/g°C; ΔH ebullición=40,7KJ/mol; Cpagua=4,184J/gK; ΔH fusión=6,0KJ/mol;**
Cp hielo=0,50cal/g°C.*
𝛥𝐻 𝑒𝑏𝑢𝑙𝑙𝑖𝑐𝑖ó𝑛 = 0.
𝐾𝐽
𝑚𝑜𝑙
𝛥𝐻 𝑓𝑢𝑠𝑖ó𝑛 = 6.
1) Agua (g) 140°C Agua (g) 100°C
INSTITUCIONAL DE ALTA
CALIDAD RESOLUCIÓN No.
004140 de 22 de abril de 2019
Facultad de Ciencias Básicas
Programa de Química
2) Agua (g) 100°C Agua (l) 100°C
3) Agua (l) 100°C Agua (l) 0°C
4) Agua (l) 0°C Agua (s) 0°C
5) Agua (s) 0°C Agua (s) - 30°C
11. Si 200g de oro (cp=0,013cal/g°C) a 120°C se mezclan con 30g de agua a 10°C en un*
calorímetro adiabático, determine: (a)ΔSoro, (b) ΔSagua (c)ΔSoro + ΔSagua.
(a) Determinar ∆𝑺 𝒐𝒓𝒐
Convertimos la temperatura
2
1
) de Celsius a Kelvin:
2
2
1
INSTITUCIONAL DE ALTA
CALIDAD RESOLUCIÓN No.
004140 de 22 de abril de 2019
Facultad de Ciencias Básicas
Programa de Química
30 MW = 108GJ
Ideal= 100 MW = 360 GJ
13. Los dos sistemas que se muestran en la figura tienen el mismo volumen y se
encuentran a la misma temperatura. ¿Cuál tiene mayor entropía?. Justifique su
respuesta.
Desde el punto de vista macroscópico y teniendo en cuenta las variables termodinámicas que
afectan ambos sistemas, como son el volumen, la cantidad de materia y la temperatura que
en este caso son iguales, podemos decir que ambos sistemas tendrán la misma entropía ya
que esta es una función termodinámica dependiente de la temperatura y no hace referencia a
desorden funcional o de forma.
14. Calcule la entropía de mezcla por mol de aire. Tenga en cuenta la composición del
aire 79%N2, 20%O2, 1%Ar.
Para calcular la entropía de la mezcla por mol de aire se utiliza la siguiente expresión:
𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎
Donde R es la constante universal de los gases
Se calcula las fracciones molares:
Asumiendo que el volumen total del gas es de 100
La fracción molar del 𝑁 2
La fracción molar del 𝑂 2
79
100
20
100
La fracción molar del 𝐴𝑟 =
1
100
INSTITUCIONAL DE ALTA
CALIDAD RESOLUCIÓN No.
004140 de 22 de abril de 2019
Facultad de Ciencias Básicas
Programa de Química
Reemplazamos los datos en la fórmula anterior, entonces:
𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎
2
ln
2
2
ln
2
ln(𝐴𝑟)
𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎
[0.79 ∗ ln(0.79) + 0.20 ∗ ln(0.20) + 0.01 ∗ ln(0.01)]
𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎
15. Un mol de un gas ideal monoatómico se calienta reversiblemente de 298.15 K a
398.15 K. Calcular el cambio de entropía del sistema, de los alrededores y el total: (a)
Si el proceso se realiza a volumen constante, (b) Si el proceso se realiza a presión
constante.
(a) Utilizando la definición de entropía.
𝑟𝑒𝑣
Considerando que el volumen es constante y que el gas es ideal,
𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
𝑇 2
𝑇 1
𝒔𝒊𝒔𝒕𝒆𝒎𝒂
−𝟏
La entropía del sistema aumenta debido a que la temperatura aumenta y la entropía del
universo se mantiene constante debido a que es un proceso reversible.
𝑢𝑛𝑖𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜
𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
𝑎𝑙𝑟𝑒𝑑𝑒𝑑𝑜𝑟𝑒𝑠
𝑎𝑙𝑟𝑒𝑑𝑒𝑑𝑜𝑟𝑒𝑠
𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
𝒂𝒍𝒓𝒆𝒅𝒆𝒅𝒐𝒓𝒆𝒔
−𝟏
(b) Ahora, la presión será constante
𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
2
1
𝒔𝒊𝒔𝒕𝒆𝒎𝒂
−𝟏
INSTITUCIONAL DE ALTA
CALIDAD RESOLUCIÓN No.
004140 de 22 de abril de 2019
Facultad de Ciencias Básicas
Programa de Química
b) Si el proceso es irreversible.
Se observa que la entropía está definida en función del calor reversible.
𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
𝑟𝑒𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒
𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
Al integrar se obtiene la misma ecuación que se usó para calcular el cambio de entropía del
sistema en el proceso isotérmico irreversible.
2
2
𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
1 1
𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
− 1
Como la entropía es una función de estado, y por tanto en el proceso reversible como en el
irreversible el estado inicial y el estado final son iguales (como se muestra en la figura), el
cambio de entropía del sistema es el mismo independientemente de la manera como se realiza
el proceso.
Para calcular el cambio de entropía de los alrededores, partimos de la definición de entropía
y usamos el calor reversible que los alrededores dan al sistema para poder realizar la
expansión. Este calor reversible de los alrededores es igual al calor que el sistema utiliza para
hacer el proceso irreversiblemente.
𝑎𝑙𝑟𝑒𝑑𝑒𝑑𝑜𝑟𝑒𝑠
𝑟𝑒𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒
𝑎𝑙𝑟𝑒𝑑𝑒𝑑𝑜𝑟𝑒𝑠
𝑖𝑟𝑟𝑒𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒
𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
La energía interna de un gas ideal solamente depende de la temperatura, entonces
𝑟𝑒𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒
𝑎𝑙𝑟𝑒𝑑𝑒𝑑𝑜𝑟𝑒𝑠
𝑖𝑟𝑟𝑒𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒
𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
INSTITUCIONAL DE ALTA
CALIDAD RESOLUCIÓN No.
004140 de 22 de abril de 2019
Facultad de Ciencias Básicas
Programa de Química
𝑒𝑥𝑡
𝑒𝑥
2
1
𝑒𝑥
2
1
𝑎𝑙𝑟𝑒𝑑𝑒𝑑𝑜𝑟𝑒𝑠
𝑎𝑙𝑟𝑒𝑑𝑒𝑑𝑜𝑟𝑒𝑠
𝑢𝑛𝑖𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜
𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
𝑎𝑙𝑟𝑒𝑑𝑒𝑑𝑜𝑟𝑒𝑠
Observamos que (de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica) en un proceso
irreversible, la entropía del universo aumenta.
17. Cierta cantidad de un gas hipotético son calentados a presión constante desde 300K
hasta 500K. Calcular la variación de entropía para este proceso si el Cp del gas está
determinado por:
Cp= A + BT + CT
3
A= 15.60 J/mol*K, B= 5 x 10
J/mol*K
2
, C=- 9 x 10
J/mol*K
4
T 1
= 300 k
T 2
= 500 k
T 2
C
p
∆S = ∫ dT
T 1
T
∆𝑆 =
mol
