Problemas de Termodinámica Química

UNI FIQT – AACB Termodinámica Química

Ing. J. J. Flores Ramos 1

I. PROBLEMAS DE TERMODINÁMICA QUÍMICA

1. Indique verdadero (V) o falso (F) a las proposiciones siguientes:

a) La capacidad calorífica es una propiedad extensiva de los cuerpos. ( )

b) La termodinámica, estudia la energía y sus transformaciones. ( )

c) La entalpía de formación estándar de una sustancia sólo es negativo. ( )

d) La energía interna se puede determinar mediante la ley de Hess. ( )

e) El calor específico de los metales es mayor que del agua líquida. ( )

2. Considere la reacción:

H2 (g) + Cl2 (g) 2 HCl (g) H° = -184,6 kJ

Si 3 mol de H2 reacciona con 3 mol de Cl 2 para formar HCl.

a) ¿Cuál es el trabajo realizado, contra una presión de 1 atm a

25°C, en kJ?

b) ¿Cuál es el cambio en la energía interna para esta reacción, en kJ?

3. Determine el calor liberado en la combustión completa de 1,5 L de benceno

(C6H6), dar la respuesta en kJ.

Densidad del benceno = 0,88 g/mL

4. Determine la energía liberada en la reacción de dos kilogramos de monóxido de

nitrógeno, en condiciones estándar a 25 ºC

2 NO (g) + O2 (g) 2 NO2 (g)

Sustancia NO (g) O2 (g) NO2 (g)

∆Hºf (kJ/mol) 90,25 ------ 33,18



5. Determinar el calor producido en la formación del par iónico: NaCl (s), cuando

un mol de Na+(g) se combina con un mol de Cl-(g), mediante los siguientes

datos:

Na (s) + ½ Cl2 (g) NaCl (S) ΔHº = - 98,23 kcal

Na (s) Na (g) ΔHº = 25,98 kcal

Na (g) Na+ (g) + e- ΔHº = 120,00 kcal

Cl2 (g) 2Cl (g) ΔHº = 58,02 kcal

Cl- (g) Cl (g) + e- ΔHº = 87,30 kcal

6. Indique el valor de verdad a las proposiciones siguientes:

a) El calor especifico, es una propiedad intensiva de los cuerpos. ( )

b) El trabajo es una función de estado porque, depende del peso del

cuerpo. ( )

c) La entalpía específica es una propiedad intensiva. ( )

d) En la fusión del hielo, el cambio de energía interna es aproximadamente

igual al cambio de entalpía. ( )

e) En un sistema cerrado, no hay intercambio de materia y energía con los

alrededores. ( )


a) El calor es una propiedad extensiva de los cuerpos. ( )

b) El cambio de energía interna se determina en un calorímetro a

volumen constante. ( )

c) La entalpía de formación estándar del grafito y el diamante es cero a



25 ºC. ( )

d) La entalpía estándar especifica, es una propiedad intensiva. ( )

e) En condiciones estándar, la presión y la temperatura están bien

definidas, cuyos valores son una atmósfera y 0 °C. ( )

8. A partir de las entalpías de reacción siguientes:

NO (g) + O3 (g) NO2 (g) + O2 (g) KJH 9,198º

O3 (g) 1,5 O2 (g) KJH 3,142º

O2 (g) 2 O (g) KJH 0,495º

Calcular Hº para la reacción:

NO (g) + O (g) NO2 (g)

9. Determine el cambio de entalpía estándar para la reacción: (8 puntos)

N2H4 (ℓ) + 2 H2O2 (ℓ) N2 (g) + 4 H2O (ℓ)

A partir de los siguientes datos:

N2H4 (ℓ) + O2 (g) N2 (g) + 2 H2O (ℓ) KJH 2,622º

H2 (g) + 0,5 O2 (g) H2O (ℓ) KJH 8,285º

H2 (g) + O2 (g) → H2O2 (g) KJH 8,187º

10. El tetracloruro de carbono es un importante disolvente comercial que se

prepara mediante la reacción entre Cl2 (g) y disulfuro de carbono. Determine el

calor involucrado en la obtención de 20 L de tetracloruro de carbono.

Densidad del tetracloruro de carbono = 1,595 g/mL

CS2 (ℓ) + 3 Cl2 (g) CCl4 (ℓ) + S2Cl2 (ℓ)



Seleccione los datos adecuados de entre los que se dan a continuación a fin

de ayudarte en la resolución del problema.

CS2 (ℓ) + 3 O2 (g) CO2 (g) + 2 SO2 (g) ∆Hº = -1077 kJ

2 S (s) + Cl2 (g) S2Cl2 (ℓ) ∆Hº = -58,20 kJ

C (s) + 2 Cl2 (g) CCl4 (ℓ) ∆Hº = -135,4 kJ

S (s) + O2 (g) SO2 (g) ∆Hº = -296,8 kJ

SO2 (g) + Cl2 (g) SO2Cl2 (ℓ) ∆Hº = +97,30 kJ

C (s) + O2 (g) CO2 (g) ∆Hº = -393,50 kJ

CCl4 (ℓ) + O2 (g) COCl2 (g) + Cl2O (g) ∆Hº = -5,20 kJ

11. Un balón conteniendo 440 g de gas propano a la temperatura de 25 ºC explota

accidentalmente en el Laboratorio Nº 15 de Química. Determine la

temperatura máxima obtenida en esta explosión, (considerar la composición

del aire en volumen: 20 % de oxígeno y 80 % de nitrógeno).

Sustancia ΔHº Kcal/mol Cp = a + bT Cal/ mol.K

a bx103

N2 --------- 6.45 1.41

C02 - 94,14 6,4 10,2

H20 (g) --------- 7,2 2,4

02 --------- 6,1 3,3

C3H8 - 24,82 27,5 8,1

H2O (ℓ) - 68,3 …… ……



λ vaporización del agua = 9720 Cal/mol Cp del agua = 18 cal/mol.K

12. Calcular la temperatura teórica de llama, en el proceso siguiente:

S (s) + O2 (g) SO2 (g) ∆Hº (25 ºC) = -296,83KJ

Se alimenta a un reactor 1 mol de azufre y oxígeno contenido en el aire en una

cantidad estequiómetrica a 25ºC

Composición en volumen del aire: 20 % O2 y 80 %N2

Sustancia a b x 103

SO2 39,87 0,25

O2 29,96 4,18

N2 28,58 3,77

Cp = a + bT (J/mol.K)


a) La energía interna específica es propiedad extensiva de los cuerpos.

b) El cambio de entalpía se determina en un calorímetro a presión constante.

c) Dos propiedades extensivas independientes son suficientes para determinar

el estado termodinámico de una sustancia pura.

d) En un proceso cíclico es imposible realizar un trabajo sin consumir energía

e) El calor específico del agua varía con la temperatura .

14. En una horni l la de cocina cuando se enciende el metano se

produce una reacción de combustión representado por:



CH4 (g) + 2O2 (g) CO2 (g) + 2H2O (g)

¿Cuántos gramos de metano hay que quemar para evaporar un

kilogramo de agua, cuyo calor de vaporización es 536 cal/g?

Sustancia CH4(g) CO2(g) H2O(g)

H° (Kcal/mol) -17,89 -94,05 -57,8

15. Calcular la temperatura teórica de llama, en ºC que se obtendría

en la combustión del azufre con oxígeno puro, en condiciones

adiabáticas, según la ecuación:

S (s) + O2 (g) → SO2 (g) ∆Hº = - 70960 cal/mol

La relación estequimétrica azufre-oxígeno a 25ºC antes de la

reacción es de 1 mol de azufre por 2 mol de oxígeno.

Cp = a + bT; unidad de Cp= cal /mol.K

Sustancia a b.103

O2(g) 6,76 0,61

SO2 (g) 6,16 16,02

16. En la combustión del azufre con aire según la reacción:

S(s) + O2(g) SO2(g)

Se obtiene a 298 K, H°rxn = -296.83 KJ/mol

Es un reactor de ladri l los refractarios, se desea quemar 1 mol de

S(s) con aire, ambos inicialmente a 25 °C (composición en

volumen del aire: 21% O2 y 79% N2) pero que la temperatura de

salida de los gases producidos sea máxima 1000 K, Calcúlese la

cantidad de aire que debe ingresar, por cada mol de S, al reactor

para lograr el objetivo propuesto.



Datos Capacidad caloríf ica, Cp

(joule/mol.K)

Sustancia

SO2

O2

N2

a b.103

39,87 0,25

29,96 4,18

28,58 3,77

17. Considerando que logramos confinar un mol de N 2 a 27°C y 5 atm

de presión en un ci l indro provisto de un émbolo móvil y sin peso

(térmicamente aislado), si luego permitimos que se expanda

isotérmica y reversiblemente hasta que alcance la presión

atmosférica (Cv = 5 cal/mol.K)

a) Cuál es la temperatura f inal del sistema?

b) Calcular U, H, S que experimenta el sistema

c) Calcular Q, W asociados al proceso

18. Considerando un proceso adiabático, determine la temperatura de

llama en °C que resulta de la combustión del C 2H5OH y aire (20%

en volumen de O2). Si los gases ingresan a 25°C y el aire se

halla en una cantidad al doble del requerido

estequiométricamente; asuma que no hay pérdida de calor por

radiación.

Cp = a + bT (cal/mol.K)

Gas a b.103 AH° f kcal/mol

H2O(g)

CO2

O2

N2

7,19

6,40

6,10

6,45

2,37

10,19

3,25

1,41

C2H5OH(l) – 66,30

H2O(l) – 68,3

CO2(g) –94,14



Calor latente de vaporización del agua= 9720 cal/mol

Calor específ ico del agua = 18 cal/mol.K

19. Calcular la temperatura de llama teórica de la reacción siguiente:

S (s) + O2 (g) SO2 (g) ∆Hº = -296,83 KJ

Se alimenta a un reactor 1 mol de azufre y oxígeno contenido en el aire en una

cantidad estequiómetrica a 25 ºC

Composición en volumen del aire: 20 % O2 y 80 %N2

Sustancia gaseosa a b . 103

SO2 39,87 0,25

O2 29,96 4,18

N2 28,58 3,77

Cp = a + bT (J/mol. K)

20. Calcular la temperatura máxima, en °C de combustión cuando

reacciona el azufre con oxígeno de acuerdo a la reacción química.

S(s) + O2(g) SO2(g) H°rxn = -70960 cal/mol

Si sucede que la combustión azufre -oxígeno es estequiométrica

(el oxígeno, O2 proviene del aire) y el azufre como el aire se halla

inicialmente a 298K. La composición en volumen del aire es: 80

% N2 y 20 % O2.

Datos de Cp = a + bT Unidades de Cp: cal/mol. K



Sustancia a b.103

O2

N2

SO2

6,76

6,76

6,76

0,61

0,61

16,02

21. En la combustión del gas propano, C 3H8 con oxígeno según la

reacción:

C3H8(g) + 5O2(g) 3CO2(g) + 4H2O(g)

En un reactor adiabático, ingresan los gases propano y oxígeno a

87 °C en cantidad estequiométrica. ¿Cuál es la temperatura de

llama?

Sustancia H f

mol

Kcal

Cp = a + bT (cal/mol.K)

a b.103

CO2(g)

H2O(g)

O2(g)

C3H8(g)

-94,14

-24,82

6,4

7,2

6,1

27,5

10,2

2,4

3,3

8.1

Para el H2O(g)

H = 68,3 kcal/mol

Hvap = 9720 cal/mol

Cp = 18 cal/mol. K

22. Se le encarga a un joven estudiante de Química II, determinar la temperatura

teórica de llama o flama para elegir el material apropiado para construir una

bomba calorimétrica. El alumno cuenta con la siguiente información:

a. Se dispone de un tanque A de 122,18 L de capacidad, el cuál contiene gas

propano a 25 ºC y 10 atm. En otro tanque B de mayor volumen se tiene una



mezcla de gaseosa constituida por oxígeno y nitrógeno, (composición en

volumen 20 % de O2 y 80 % de N2) a 25 ºC y 10 atm.

b. Se hace ingresar todo el gas propano a la bomba calorimétrica y además la

mezcla del tanque B en 20 % en exceso al requerido por la estequiometría.

c. Considere que a las condiciones indicadas no reacciona el nitrógeno.

d. Considere sólo los datos necesarios, según su criterio.

Si usted es el alumno, ¿cuál es la temperatura teórica de flama?

Cp = a + bT ( cal/mol.K)

Sustancia, gaseosa a b.103

N2 6,45 1,41

CO2 6,40 10,20

H2O 7,20 2,40

O2 6,10 3,30

C3H8 7,5 8,1

Sustancia CO2 (g) H2O (ℓ) C3H8 (g)

∆Hºf (kcal/mol)

A 25 ºC

-94,14 -68,3 -24,82

∆H vaporización del agua = 9720 cal/mol

Cp del agua líquida = 18 cal/mol.K



23. Se tiene 220 g de gas propano a la temperatura de 37 ºC, el cual se quema

por completo en aire de composición volumétrica 20 % de oxígeno y 80 % de

nitrógeno. Determinar la temperatura teórica de flama, en ºC.

Considere que el aire interviene en una cantidad al doble del requerido por la

estequiometria a 37 ºC.

Sustancia ΔHº (kcal/mol) Cp = a + bT (cal/ mol.K)

a b

N2 (g) --------- 6,45 1,41

C02 (g) - 94,14 6,4 10,2

H20 (g) --------- 7,2 2,4

02 (g) --------- 6,1 3,3

C3H8 (g) - 24,82 27,5 8,1

H2O (ℓ) - 68,3 …… ……

∆H (vaporización del agua) = 9720 cal/mol.

Cp del agua = 18 cal/mol.K


a) En un proceso isotérmico la entalpía no cambia. ( )

b) En un proceso adiabático de un gas ideal diatómico, el trabajo de

expansión es -nR∆T/0,4 ( )

c) El calor liberado en la combustión completa de un mol de metano es igual

que en la combustión de un mol de etino. ( )



d) En el siguiente proceso, se puede afirmar con seguridad que el cambio de

entalpía es negativo. ( )

4 A (s) + 3 B2 (g) → 2 E (s)

25. Calcule el cambio de entropía total, AS cuando 2 mol de argón

que ocupan 20 L, se calienta de 100 K a 200 K a volumen

constante, a continuación se comprime a 2 L a temperatura

constante.

26. Empleando la siguiente ecuación química, determine la variación en la energía

interna en kilojoule. Considere que se hace reaccionar en cantidades

estequiométricas el monóxido de nitrógeno y el oxígeno formándose 5 mol de

dióxido de nitrógeno a 25 ºC y 1 atmosfera de presión externa. (7 Puntos)

2NO (g) + O2 (g) → 2NO2 (g)

Sustancia NO(g) NO2 (g)

∆Hºf (kJ.mol-1) 90,25 33,18

27. ¿Cuál es el valor del cambio de energía interna para las

reacciones siguientes a 25 °C?

a. C3H8 (g) + 5O2 (g) 3 CO2 (g) + 4H2O (l) H° = -22,20 kJ

b. 2 KClO3 (s) 2KCl(s) + 3 O2 (g) H° = -89,4 kJ

28. Tres moles de gas ideal a 27°C se expande isotérmica y

reversible desde 20 L hasta 60 L ¿Calcular el trabajo, en kJ?



29. Cinco moles de nitrógeno a la temperatura de 27 ° C se expande a

temperatura constante y reversib lemente desde una presión de

4,1 atm hasta 1 atm. Calcule en joule:

a) El Trabajo efectuado.

b) El cambio en la energía interna del gas.

30. Si 10 g de N2 a 17°C se comprime adiabática y reversiblemente

desde 8 L a 5 L. Calcular:

a) Temperatura f inal en °C. b) W c) U d) H

31. Se observa que 24 g de gas helio se expande desde 5 ºC y 25 atm hasta una

presión final de 3 atm, siguiendo un proceso adiabático reversible. Suponiendo

que el helio se comporta bajo estas condiciones como un gas ideal, calcular

ΔE, ΔH, W , V1 y V2

32. Cuatro moles de un gas ideal monoatómico a 25 ºC y 10 atm, son expandidos

hasta una presión final de 1 atm. Calcular:

a) El trabajo, calor, ∆E y ∆H. Si el proceso ocurre en forma reversible y

adiabática.

b) Demostrar, además, que el cambio en la energía interna y entalpía para el

proceso es independiente del camino tomado entre el estado inicial y el final

en los siguientes procesos:

b.1 Proceso isobárico seguido de un proceso isocórico.

b.2 Proceso isotérmico seguido de un proceso isobárico.

c) Esquematice ambos procesos en un diagrama P v/s V



33. Dos mol de gas a 27 ºC y 10 atmósfera se expande adiabaticamente hasta

una presión de 1atm.

Cv = 7,5 + 3,2.10-3 T (cal/mol.K)

Determine:

a) La temperatura final en ºC.

b) El trabajo de expansión en calorías.

c) El cambio de entalpía en el proceso, en calorías

d) El cambio de energía interna en el proceso, en calorías.

34. A partir de que temperatura en Kelvin la siguiente reacción

química será espontánea.

SiO2(g) + 2C(gráf ito) + 2Cl2(f) SiCl4(g) + 2CO(g)

Uti l ice datos de H° y S° de tablas a 25°C.

35. Un mol de un gas ideal monoatómico a 25 ºC y 10 atm, son expandidos hasta

una presión final de 1 atm. Calcular:

a) El trabajo, calor, ∆E y ∆H , si el proceso ocurre en forma reversible y

adiabática.

b) Demostrar, además, que el cambio en la energía interna y entalpía para el

proceso es independiente del camino tomado entre el estado inicial y el final

en los siguientes procesos:

b.1 Proceso isobárico seguido de un proceso isocórico.

b.2 Proceso isotérmico seguido de un proceso isobárico.

c. Esquematice ambos procesos en un diagrama P v/s V



36. Calcule G para la expansión isotérmica de un mol de gas ideal

desde 0,01 m3 hasta 0,1 m3 a 25°C.


a) En un proceso reversible, el cambio de entropía del sistema es cero. ( )

b) El proceso reversible es un proceso cuasi estático, infinitamente lento y

pasa por sucesivos estados de equilibrio. ( )

c) En un proceso isocórico, el cambio de energía interna es igual al trabajo.

d) El proceso isotérmico, es un proceso reversible. ( )

e) Para un mol de gas de moléculas diatómicas y en un proceso adiabático,

el trabajo se puede calcular conociendo el cambio de temperatura. ( )

38. Para el siguiente proceso indique el valor de verdad a las siguientes

proposiciones:

2 C2H2 (g) + 5 O2 (g) 4 CO2 (g) + 2 H2O(l)

Sustancia C2H2 (g) CO2 (g) H2O(l)

∆Gºf (kJ/mol) 209,2 -394,4 -237,2

I. La reacción es espontanea a 25 ºC ( )

II. La reacción es espontánea a cualquier temperatura. ( )

III. El cambio de entropía es negativo a 25 ºC ( )

IV. El proceso es espontáneo a elevada temperatura. ( )

V. El proceso es espontáneo a baja temperatura. ( )


a) Los procesos no espontáneos son posibles de efectuar. ( )

b) En un proceso adiabático de un gas ideal, el cambio de entalpia es



cero. ( )

c) En la expansión isotérmica de un gas ideal, la entropía aumenta. ( )

d) En el siguiente proceso, el cambio de entropía es positivo. ( )

A (s) + 3 B2 (g) → 2 E (s)

e) La neutralización ácido y base es un proceso espontáneo. ( )

f) En un proceso isotérmico de un gas ideal, el cambio de entalpía es igual al

trabajo involucrado en modulo. ( )

g) Si para un proceso ∆H< 0 y ∆S < 0, será espontaneo a baja temperatura.

h) El proceso isotérmico de un gas ideal es un proceso reversible. ( )


a) El calor específico es una propiedad extensiva de los cuerpos.

b) El cambio de entalpía se determina en un calorímetro a presión

constante

c) La entalpía de formación estándar del fósforo blanco es cero a 25 ºC

d) En un proceso en donde intervienen sólidos y líquidos únicamente, el

cambio de entalpía es similar al cambio de energía interna.

e) El cambio de entalpía a 25ºC es igual al cambio de entalpía a 90ºC, para un

proceso determinado.

41. Empleando la siguiente ecuación química, determine la energía involucrada

(en kJ) en la reacción de 12 kg de monóxido de nitrógeno, en condiciones

estándar a 25 ºC.

2NO (g) + O2 (g) → 2NO2 (g)




b) En un proceso isotérmico la entalpía no cambia.

c) En un proceso adiabático de un gas ideal diatómico, el trabajo de

expansión es -nR∆T/0,4

d) El calor liberado en la combustión completa de un mol de metano es igual

que en la combustión de un mol de etino.

e) El siguiente proceso es espontáneos a baja temperatura.

4 A (s) + 3 B2 (g) → 2 E (s) + 237,1 kJ

f) En un proceso isotérmico, el calor involucrado es igual al trabajo en modulo.

43. Calcular la temperatura de llama teórica de la reacción siguiente:

C (s) + O2 (g) CO2 (g) ΔHº (a 25º C) = -94,05 kcal

Se alimenta a un reactor 36 kg de carbono y oxígeno en una cantidad

estequiómetrica a 25 ºC

Sustancia gaseosa a b . 103

CO2 6,4 10,2

Cp = a + bT (cal/mol. K)

44. Determine si el siguiente proceso es espontáneo a 25 ºC en caso contrario a

partir de que temperatura se vuelve espontánea.

C2H2 (g) + 2,5 O2 (g) → 2 CO2 (g) + H2O (ℓ)

45. Para el siguiente proceso indique el valor de verdad a las siguientes

proposiciones:

2 C2H2 (g) + 5 O2 (g) 4 CO2 (g) + 2 H2O (ℓ)



Sustancia C2H2 (g) CO2 (g) O2 (g) H2O(ℓ)

∆Gºf (kJ/mol) 209,2 -394,4 ---- -237,2

∆Hºf (kJ/mol) 226,7 -393,5 ------ -285,8

Sº (J/molxK) 200,9 213,7 205,1 69,91

I. La reacción es espontanea a 25 ºC ( )

II. El ∆Gº de la reacción química a 50 ºC es -645x102 kJ ( )

III. El cambio de entropía es negativo a 25 ºC ( )

46. 90 g de neón (masa atómica = 20 u) se calienta a volumen constante desde

20 K a 120 K, a continuación se deja expandir reversiblemente de 10 L a 100 L

a 120 K. considerando un comportamiento ideal del gas, calcular:

a) El trabajo total en kilojoules.

b) El calor total en calorías.

c) El cambio de entalpía en calorías.

d) Representar en una grafica presión vs. el volumen el proceso.


a) En un proceso adiabático de un gas ideal, el cambio de entalpia es

cero. ( )

b) En la expansión isotérmica de un gas ideal, la entropía aumenta. ( )

c) En el siguiente proceso, el cambio de entropía es negativo. ( )

A (s) + 3 B2 (g) → 2 E (s)

d) La neutralización ácido y base es un proceso espontáneo. ( )



P (atm)

2,0

0,3

20 50 V (L)

e) En un proceso isotérmico de un gas ideal, el cambio de entalpía es igual al

trabajo involucrado en modulo. ( )

f) Si para un proceso ∆H> 0 y ∆S < 0, será espontaneo a baja temperatura.

( )

g) El proceso isotérmico de un gas ideal es un proceso reversible. ( )

h) En el proceso de condensación el cambio de entropía es negativo. ( )

En un proceso isocorico de un gas ideal con desprendimiento de calor, se

produce una disminución de la energía interna. ( )

48. Dos moles de gas ideal diatómico recorren el ciclo reversible indicado en la

figura siguiente:

49. Se observa que 32 g de gas helio se expande desde 5 ºC y 25 atm hasta una

presión final de 3 atm, siguiendo un proceso adiabático reversible. Suponiendo

que el helio se comporta bajo estas condiciones como un gas ideal, calcular

ΔU, ΔH, W, V1 y V2. Masa molar del He = 4 g/mol

1 2

Calcular el calor en joules,

para las etapas:

1-2, 2-3 y 3-1

3

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