PROCESO DE CALENTAMIENTO DE UNA SUSTANCIA
Un sistema es la porción del universo que se aísla para su estudio (investigación). Está formado por partes que interaccionan, tiene estructura, límites y fases, sufre cambios por el flujo o el intercambio de materia y energía. A la relación del conjunto de variables que definen a un sistema en un determinado momento se le llama estado del sistema. La descripción de un sistema antes de que le ocurra un cambio se le llama estado inicial y la del sistema después del cambio se le llama estado final. Para determinar si ocurrió o no un cambio en un sistema se comparan, después de un lapso, las características del estado final con las del estado inicial del sistema. Una vez establecido que ocurrió un cambio, se busca determinar el factor que provocó (la causa) el cambio. Para determinar los factores que producen un cambio observado en un sistema, se acostumbra usar un sistema control o experimento controlado, que no es alterado y observar así si ocurre el cambio. Una fase o estado de la materia es una parte homogénea de un sistema en determinadas condiciones de presión y temperatura. Un diagrama de fases es una representación gráfica que indica las condiciones de presión y temperatura temperatura en las cuales se presentan diferentes diferentes equilibrios entre las fases de una sustancia. Todo cambio de fase involucra un cambio de energía. Siempre que ocurre un cambio de fase hay un cambio de energía y de forma de la sustancia.
Todo cambio de fase involucra un cambio de energía. Siempre que ocurre un cambio de fase hay un cambio de energía y de forma de la sustancia. Una sustancia puede existir en una o más fases dependiendo de la sustancia y de las condiciones en que se encuentre. Los cambios de fase de un sistema son las transformaciones físicas que le ocurren a una sustancia para pasar de una fase a otra en condiciones de equilibrio y dependen de las condiciones del sistema. Mientras se produce un cambio de estado coexisten dos fases y la temperatura no varía. Principio de Le Châtelier. En 1884, el químico metalurgista e ingeniero minero francés estableció que si un sistema en equilibrio es alterado por un cambio, el equilibrio se desplaza en la dirección en la que se absorbe el efecto del cambio, estableciéndose un nuevo estado de equilibrio. CAMBIOS DE FASE: Fusión:
Sólido
equilibrio Líquido;
ebullición o vaporización: Líquido
equilibrio Vapor;
sublimación: Sólido equilibrio Vapor o gas; todos estos procesos son endotérmicos o endergónicos (ganan energía). La energía calorífica respectiva a cada uno de estos procesos se le llama calor (o entalpía) de fusión, calor de vaporización o ebullición y calor de sublimación. Todas estas cantidades tienen signo positivo porque ganan energía calorífica.
El calor de vaporización o entalpía de vaporización del agua líquida es = 40.7 kJ/mol. El calor de fusión o entalpía de fusión del hielo (agua sólida) es = Hf(agua sólida) = 6.01 kJ/mol. El calor de vaporización de una sustancia siempre es mayor que su calor de fusión. El calor de sublimación es igual a la suma del calor de vaporización más el calor de fusión. CAMBIOS DE FASE:
equilibrio
Condensación: Vapor
equilibrio
Líquido; solidificación: Líquido
Sólido; deposición: Vapor equilibrio Sólido; todos estos procesos son exotérmicos o exergónicos (pierden energía). La energía calorífica respectiva a cada uno estos procesos se le llama calor (o entalpía) de condensación, calor de solidificación o de calor de sublimación. Todas estas cantidades tienen signo negativo porque pierden energía calorífica.
TALLER 2
1. Analiza cada uno de los diagramas de fase, del agua y del dióxido de carbono, y completa la siguiente tabla:
2. Observa los dos diagramas que se muestran a continuación y:
a) Relaciona los puntos A, B, C, D, E y F del diagrama de enfriamiento que se produce a la presión P, con los puntos 1, 2, 3 y 4 del diagrama de fases. b) Explica brevemente lo que sucede en cada uno de ellos y lo que representan. c) Indica lo que sucede en los intervalos mostrados en ambos diagramas.
a)
b)
c)
3. Determinar el calor que hay que suministrar para convertir 1g de hielo a -20°C en vapor a 100°C. Calor específico del hielo CH= 2090 J/Kg.K Calor de fusión del hielo Lf = 334x103 J/Kg Calor específico del agua CA= 4180 J/Kg.K Calor de vaporización del agua L v= 2260x103 J/Kg
4. Un trozo de metal de 50 g que se encuentra a 200º C se sumerge en un envase que contiene 0.4 kg de agua inicialmente a 20º C. Si la temperatura final de equilibrio del sistema mezclado es 22.4º C, calcular: a) el calor específico del material, b) el calor ganado por el agua. Despreciar la transferencia de calor al envase y al medio ambiente. cA=4186 J/kgºC
5. Una bala de plomo de 2 g de masa disparada con una rapidez de 300 m/s, se incrusta en un poste de madera. Suponiendo que toda la energía térmica generada durante el impacto permanece en la bala, calcular su cambio de temperatura. cPb = 128 J/kgºC
6. Calcular la cantidad de calor que hay que entregarle a un cubito de hielo de 50g que esta a -30°C para derretirlo y obtener agua a 0°C.
cH= 0,5 Kcal/Kg.°C
LH= 80 Kcal/Kg
7. Calcular la cantidad de calor necesario para transformar un gramo de hielo a -30º C en vapor de agua hasta 120°C. cH= 2090 J/Kg.°C LfH= 3,33x105 J/Kg cA= 4186 J/Kg.°C LvA= 22,6x105 J/Kg Cv= 2000 J/Kg.°C
8. Calcular la cantidad de vapor de agua inicialmente a 130°C, que se requiere para calentar 200g de agua en un envase de vidrio de 100 g, desde 20º C hasta 50°C. Cv= 2010J/Kg.°C Lv= 22,6x105 J/Kg cA= 4186 J/Kg.°C cvi= 837 J/Kg.°C
PROBLEMAS PROPUESTOS
1. ¿Qué representa una gráfica de enfriamiento?. Grafique y describa la gráfica de enfriamiento del agua.
2. A un sistema formado por un trozo de 100 g de agua sólida a –10oC y una presión de una atmósfera se le agrega energía hasta formar vapor de agua. Sabiendo que el calor específico del agua sólida = 0.49 cal/goC, el calor de fusión del agua sólida = 80 cal/g, el calor específico del agua líquida = 1 cal/goC y el calor de vaporización = 540 cal/g. Trazar una gráfica de temperatura vs calor agregado o tiempo de calentamiento, señalando los puntos importantes del proceso de calentamiento. Calcular: 1. El calor necesario para aumentar la temperatura del agua sólida de – 10oC hasta 0oC. 2. El calor necesario para fundir al agua sólida. 3. El calor necesario para aumentar la temperatura del agua líquida de 0oC hasta 100oC. 4. El calor necesario para evaporar el agua líquida. 5. La cantidad total de calor para realizar el proceso señalado. 6. La cantidad de calor liberada en cada etapa de enfriamiento.
