reacciones espontaneas y no espontaneas[1]

8/9/2019 Reacciones Espontaneas y No Espontaneas[1]

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UNIVERSIDAD NACIONAL SAN LUIS GONZAGA DE ICA

CURSO:TERMODINAMICA I

FACULTAD:INGENIERIA QUIMICA

CATEDRTICO:MAG. CUSI PALOMINO

ROSALIO

ALUMNA:QUISPE MEZA

ALIYA LILIANA

SEMESTRE:V CICLO

AO 2010


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DEDICATORIA

Dedico este trabajo a mi familia

las cuales me ayudan con su apoyo condicional

A ampliar mis conocimientos.

Esto fue posible primero que nada

Con la ayuda de Dios por brindarme sabidura

Tambin especialmente a mi profesor

que me inspiro tambin en mis momentos frgiles
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INTRODUCCION A LA TERMODINAMICA

Como muchas disciplinas, la termodinmica surge de los procedimientosempricos que llevaron a la construccin de elementos que terminaron siendomuy tiles para el desarrollo de la vida del hombre.

Creemos que la termodinmica es un caso muy especial debido a que susinicios se pierden en la noche de los tiempos mientras que en la actualidad losestudios sobre el perfeccionamiento de las mquinas trmicas siguen siendo

de especial importancia, mas aun si tomamos en cuenta la importancia querevisten temas de tanta actualidad como la contaminacin.

El origen fue sin lugar a dudas la curiosidad que despertara el movimientoproducido por la energa del vapor de agua.

Su desarrollo fue tomando como objetivo principal el perfeccionamiento de lastecnologas aplicadas con el fin de hacer mas fcil la vida del hombre,reemplazando el trabajomanual por la mquina que facilitaba su realizacin ylograba mayor rapidez, estos avances que gravitaban directamente en la

economa, por ello el inicio se encuentra en el bombeo de aguas del interior delas minas y el transporte.

Mas tarde se intensificaron los esfuerzos por lograr el mximo de rendimientolo que llev a la necesidad de lograr un conocimiento profundo y acabado delas leyes y principios que regan las operaciones realizadas con el vapor.

El campo de la termodinmica y su fuente primitiva de recursos se ampla en lamedida en que se incorporan nuevas reas como las referentes a los motores

de combustin interna y ltimamente los cohetes. La construccin de grandescalderas para producir enormes cantidades de trabajo marca tambin laactualidad de la importancia del binomio mquinas trmicas-termodinmica.

En resumen: en el comienzo se parti del uso de las propiedades del vaporpara succionar agua de las minas, con rendimientos insignificantes, hoy setrata de lograr las mximas potencias con un mnimo de contaminacin y unmximo de economa.

Para realizar una somera descripcin del avance de la termodinmica a travs

de los tiempos la comenzamos identificando con las primitivas mquinas
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trmicas y dividimos su descripcin en tres etapas, primero la que dimos enllamar emprica, la segunda la tecnolgica y la tercera la cientfica.

OBJETIVOS

Adquirir conocimientos sobre termodinmica bsica para la determinacin de

propiedades de sustancias, establecer la importancia de la termodinmica en

los procesos industriales. Aplicar los fundamentos de la termodinmica en los

procesos industriales. Evaluar energticamente sistemas trmicos simples,

tanto sistemas cerrados como volmenes de control, determinando flujos

msicos, energticos y rendimientos de equipos o sistemas. Calcular los

parmetros fundamentales y el rendimiento de maquinas trmicas elementales,

principalmente para la produccin de potencia. Calcular los parmetros

fundamentales y los coeficientes de operacin en diferentes tipos de equipos


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MARCO TEORICO

TERMODINAMICA:

La termodinmica es una teora de una gran generalidad, aplicable a sistemasde estructura muy elaborada con todas las formas de propiedades mecnicas,elctricas y trmicas complejas. Puesto que la termodinmica se focaliza en laspropiedades trmicas, es conveniente idealizar y simplificar las propiedadesmecnicas y elctricas de los sistemas que estudiaremos... En nuestro estudiode la termodinmica idealizaremos nuestros sistemas para que suspropiedades mecnicas y elctricas sean lo ms triviales posibles.

Cuando el contenido esencial de la termodinmica haya sido desarrollado, seruna cuestin simple extender el anlisis a sistemas con estructuras mecnicasy elctricas relativamente complejas.

La cuestin esencial es sealar que las restricciones en los tipos de sistemasconsiderados no son limitaciones bsicas sobre la generalidad de la teoratermodinmica, y slo se adoptan meramente para la simplificacin expositiva.Restringiremos (temporalmente) nuestra atencin a sistemas simples

Reacciones espontnea:

Una reaccin espontnea es una reaccin que ocurre naturalmente cuando seponen en contacto los reaccionantes. En la mayora de los casos

Reacciones no espontnea:

Es una reaccin qumica en donde el incremento de energa libre es

positivo.

Bajo condiciones de temperatura y presin constantes, esto quiere decir queel incremento en la energa libre de Gibbs estndar debe ser positivo

Para una reaccin en estado estndar (a una presin estndar (1 Bar), y

unas concentraciones estndar (1 molar) de todos los reactivos y

productos).

Exotrmicas, es decir liberan energa hacia los alrededores
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Entalpa

Existen varias propiedades termodinmicas relacionadas con la energa internaque se definen debido a la utilidad que tienen cn la aplicacin de latermodinmica a los procesos prcticos. En esta seccin se introduce laentalpa, y en otras secciones subsecuentes se presentan otras. Paracualquier sistema, la entalpa est definida explcitamente por la expresinmatemtica

H=U +PV

Para una masa unitaria, 0 para un mal, la expresin anterior se convierte en

Las unidades de todos los trminos de esta ecuacin deben ser las mismas.

El producto PVtiene unidades de energa, al igual que U; por consiguiente,H tambin tiene unidades de energa. En el sistema SI la unidad bsica depresin es el Pascal, o N rnm2, y, para el volumen, el m 3. Por tanto, elproducto PVtiene la unidad N m o joule. En el sistema ingls de unidades deingeniera, una unidad comn para el producto PVes el (ft lbf), el cual aparececuando la presin est dada en (lbf) (ft)-2 y el volumen en (ft)3.

A menudo este resultado se convierte a (Btu) a travs de una divisin por778.16 para su uso en la ecuacin debido a que la unidad comn en el sistemaingls para U y Hes el (Btu).

Puesto que U, Py Vson todas funciones de estado, H, tal y como est definidapor la ecuacin, tambin debe ser una funcin de estado. La forma diferencialde la ecuacin, puede escribirse como.

dH = dU + d(PV)

Esta ecuacin se aplica cada vez que ocurre un cambio diferencial en elsistema. La integracin proporciona el resultado siguiente

H=U+ (PV)


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Que es una expresin que puede aplicarse cada vez que ocurre un cambio

finito en el sistema. Las ecuaciones, se aplican a una masa unitaria desustancia 0 a un mol. &l igual que el volumen y la energa interna, la entalpia esuna propiedad extensiva; claro est que la entalpa especfica 0 molar esintensiva.

La entalpa es til como propiedad termodinmica debido a que el trmino U +PV aparece con mucha frecuencia, particularmente en problemas queinvolucran procesos de flujo. En el ejemplo que sigue se ilustra el clculo de unvalor numrico para H.


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ENTROPIA.

La entropa describe lo irreversible de los sistemas termodinmicos. Entermodinmica, la entropa (simbolizada como S) es la magnitud fsica quemide la parte de la energa que no puede utilizarse para producir trabajo. Esuna funcin de estado de carcterextensivo y su valor, en un sistema aislado,crece en el transcurso de un proceso que se d de forma natural. La palabraentropa procede del griego () y significa evolucin o transformacin.

Fue Rudolf Clausius quien le dio nombre y la desarroll durante la dcada de1850.12

Ecuaciones

Esta idea de desorden termodinmico fue plasmada mediante una funcinideada porRudolf Clausius a partir de un proceso cclico reversible. En todo

proceso reversible la integral curvilnea de slo depende de los estadosinicial y final, con independencia del camino seguido (Q es la cantidad decalor absorbida en el proceso en cuestin y Tes la temperatura absoluta). Portanto ha de existir una f(x) del estado del sistema, S=f(P,V,T), denominadaentropa, cuya variacin en un proceso reversible entre los estados 1 y 2 es:

Tngase en cuenta que como el calorno es una funcin de estado se usa Q

en lugar de dQ.

La entropa fsica, en su forma clsica, est definida por la ecuacin

O ms simplemente, cuando no se produce variacin de
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Temperatura (proceso isotrmico):

Donde S es la entropa, la cantidad de calorintercambiado entre el sistema y el entorno y T latemperatura absoluta en kelvin). Los nmeros 1 y 2 se refieren a los estadosiniciales y finales de un sistema termodinmico.

El significado de esta ecuacin es el siguiente:

Cuando un sistema termodinmico pasa, en un proceso reversible e isotrmico, del

estado 1 al estado 2, el cambio en su entropa es igual a la cantidad de calor

intercambiado entre el sistema y el medio dividido por su temperatura absoluta.

De acuerdo con la ecuacin, si el calor se transfiere al sistema, tambin lo harel grado de entropa. Si la temperatura aumenta, la entropa disminuye. Yviceversa.

Las unidades de la entropa, en el Sistema Internacional, son el J/K (oClausius) definido como la variacin de entropa que experimenta un sistemacuando absorbe el calor de 1 Julio (unidad) a la temperatura de 1 Kelvin.

Cuando el sistema evoluciona irreversiblemente, la ecuacin de Clausius seconvierte en una inecuacin:

Siendo el sudatorio de las i fuentes de calor de las que recibe o transfiere calorel sistema y la temperatura de las fuentes. No obstante, sumando un trminopositivo al segundo miembro, podemos transformar de nuevo la expresin enuna ecuacin:

Al termino p, siempre positivo, se le denomina produccin de entropa y esnulo cuando el proceso es reversible salvo irreversibilidades fruto detransferencias de calor con fuentes externas al sistema. En el caso de darse un
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proceso reversible y adiabtico, segn la ecuacin, dS=0, es decir, el valor dela Entropa es constante y adems constituye un proceso isoentrpico

Entropa y reversibilidad

La entropa global del sistema es la entropa del sistema considerado ms laentropa de los alrededores. Tambin se puede decir que la variacin deentropa del universo, para un proceso dado, es igual a su variacin en elsistema ms la de los alrededores:

Si se trata de un proceso reversible, S (universo) es cero pues el calor que elsistema absorbe o desprende es igual al trabajo realizado. Pero esto es unasituacin ideal, ya que para que esto ocurra los procesos han de serextraordinariamente lentos y esta circunstancia no se da en la naturaleza.

Por ejemplo, en la expansin isotrmica (proceso isotrmico) de un gas,considerando el proceso como reversible, todo el calor absorbido del medio setransforma en trabajo y Q=W. Pero en la prctica real el trabajo es menor yaque hay prdidas por rozamientos, por lo tanto, los procesos son irreversibles.

Para llevar al sistema, de nuevo, a su estado original hay que aplicarle untrabajo mayor que el producido por el gas, dando como resultado unatransferencia de calor hacia el entorno, con un aumento de la entropa global.

Como los procesos reales son siempre irreversibles, siempre aumentar laentropa. As como "la energa no puede crearse ni destruirse", la entropapuede crearse pero no destruirse. Podemos decir entonces que "como elUniverso es un sistema aislado, su entropa crece constantemente con eltiempo". Esto marca un sentido a la evolucin del mundo fsico, que llamamos"Principio de evolucin".

Cuando la entropa sea mxima en el universo, esto es, exista un equilibrioentre todas las temperaturas y presiones, llegar la muerte trmica delUniverso (enunciado porClausius). Toda la energa se encontrar en forma decalor y no podrn darse transformaciones energticas.

ENERGIA LIBRE DE GIBBS.

En termodinmica, la energa libre de Gibbs (o energa libre) es un potencialtermodinmico, es decir, una funcin de estado extensiva con unidades deenerga, que da la condicin de equilibrio y de espontaneidad para unareaccin qumica (a presin y temperatura constantes).
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La segunda ley de la termodinmica postula que una reaccin qumicaespontnea hace que la entropa del universo aumente, Suniverso > 0, as mismoSuniverso esta en funcin de Ssistema y Salrededores. Por lo general slo importa loque ocurre en el sistema en estudio y; por otro lado el clculo de Salrededorespuede ser complicado.

Por esta razn fue necesario otra funcin termodinmica, la energa libre deGibbs, que sirva para calcular si una reaccin ocurre de forma espontneatomando en cuenta solo las variables del sistema.

Clculo de la energa libre de Gibbs

Los cambios en la energa libre

Contenido de calor; T es la temperatura y Ses la entropa del sistema. Fuedesarrollada en los aos 1870 por el fsico-matemtico estadounidense WilliardGibbs.

Cambios de energa libre estndar

La energa libre de reaccin, se denota, , es el cambio de energaen una reaccin a condiciones estndares. En esta reaccin los reactivos en suestado estndar se convierten en productos en su estado estndar.

Dada la siguiente ecuacin qumica:

La energa libre se calcula como

Donde A y B son los reactivos en estado estndar y; C y D son los productosen su estado estndar. Adems a, b, c y d son sus respectivos coeficientesestequiomtricos.

En general:
http://es.wikipedia.org/wiki/Segunda_ley_de_la_termodin%C3%A1micahttp://es.wikipedia.org/wiki/Entrop%C3%ADa_(termodin%C3%A1mica)http://es.wikipedia.org/wiki/Funci%C3%B3n_de_estadohttp://es.wikipedia.org/wiki/Calorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Kelvinhttp://es.wikipedia.org/wiki/Julio_(unidad)http://es.wikipedia.org/wiki/Entrop%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Sistemahttp://es.wikipedia.org/wiki/Estados_Unidoshttp://es.wikipedia.org/wiki/Williard_Gibbshttp://es.wikipedia.org/wiki/Williard_Gibbshttp://es.wikipedia.org/wiki/Segunda_ley_de_la_termodin%C3%A1micahttp://es.wikipedia.org/wiki/Entrop%C3%ADa_(termodin%C3%A1mica)http://es.wikipedia.org/wiki/Funci%C3%B3n_de_estadohttp://es.wikipedia.org/wiki/Calorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Kelvinhttp://es.wikipedia.org/wiki/Julio_(unidad)http://es.wikipedia.org/wiki/Entrop%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Sistemahttp://es.wikipedia.org/wiki/Estados_Unidoshttp://es.wikipedia.org/wiki/Williard_Gibbshttp://es.wikipedia.org/wiki/Williard_Gibbs


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Donde m y n son los coeficientes estequiomtricos.

As como en el clculo de la entalpa, en la energa libre estndar de formacinpara cualquier elemento en su forma estable (1 atm y 25C) es 0

La variacin de energa libre de Gibbs para un proceso a temperaturaconstante viene dada por:

La temperatura puede ser un factor determinante a la hora de hacer que unproceso sea espontneo o no lo sea.

Significado de La condicin de equilibrio es La condicin de espontaneidades El proceso no es espontneo cuando:

(Esta ltima condicin nos dice que la reaccin no se producir).

La energa de Gibbs molar parcial, es lo que se conoce con el nombre de

potencial qumico, que es lo que se maneja en clculos termodinmicos enequilibrio, ya que el equilibrio qumico entre dos sistemas implica la igualdad depotenciales qumicos y su uso facilita los clculos.

Demostracin matemtica

Partimos de:

Como:

Reemplazando:
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Multiplicando por T:

Es decir:

1) REACCION ESPONTANEA:

3H2 + N2 ----------- 2NH3-22.08

Compuesto H S GH2 0 0 0N2 0 0 0NH3 -11.04 46.01 -23.976

G = H + T S

G-H/S = T

G 0 -11.04T 0.23994784 0


14/17

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

1 2

G

TGG

2) REACCION ESPONTANEA:

CaC2(s) + 2H2O (l) ---------- Ca (OH) 2(s) + C2H2 (g) H= -136.626

S= 33.432G= -113.3804

Compuesto H S G

CaC2 -15 16.8 16.2H2O -68.313 16.71 -56.6902

Ca(OH)2 -235.8 18.2 -214.33C2H2 54.194 47.977 50

Total -29.98 15.945 -67.1496

G = H + T S

G-H/S=T

G 0 -29.98T 1.88021323 0


15/17

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

1 2

G

T

3) REACCION NO ESPONTANEA:

C2H4 (g) + H2O (l) ---------- C2H5OH (l)

Compuesto H S G

C2H4 12.496 52.45 16.282 C2H5OH -66.356 38.4 -56.6902

H2O -68.313 16.716 -41.77

Total -10.539 -30.766 -1.3618

G = H - T SG-H/S=T

G 0 -10.539T -0.34255347 0


16/17

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

1 2

G

T

CONCLUSIONES

La termodinmica es el estudio de las relaciones entre las diferentes

propiedades de la materia que dependen de la temperatura. Se basa sobre tres

leyes a saber:

Primera Ley de la Termodinmica: la energa puede ser convertida de una

forma a otra, pero no se puede crear o destruir.


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Segunda Ley de la Termodinmica: la entropa del universo aumenta en un

proceso espontneo y se mantiene constante en un proceso que se encuentra

en equilibrio.

Tercera Ley de la Termodinmica: la entropa de una sustancia cristalina

perfecta es cero a la temperatura del cero absoluto.

La Termodinmica permite usar la informacin obtenida en los experimentos de

un sistema para obtener conclusiones sobre otros aspectos del mismo sistema,

sin tener que hacer ms experimentacin. El desarrollo de la termodinmica

tiene un origen emprico como muchas de las partes de la tecnologa.

Una de las curiosidades en la aplicacin temprana de efectos del vapor en la

etapa que dimos en llamar emprica y que a lo largo de su desarrollo cambiara

su origen en varias hiptesis, flogisto, calrico y finalmente energa.

Finalmente, se concluye resaltando la importancia que tiene el equilibrio de un

sistema cualquiera con su medio ambiente.

BIBLIOGRAFIA

http://mtzpz.bankhacker.com/termodinamica/biblio-termo.phtml
http://www1.universia.net/CatalogaXXI/pub/ir.asp?IdURL=85982&IDC=10010&IDP=T1&IDI=1http://www1.universia.net/CatalogaXXI/pub/ir.asp?IdURL=85982&IDC=10010&IDP=T1&IDI=1

reacciones espontaneas y no espontaneas[1]

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