M4. OPERACIONS DE SERVEIS AUXILIARS UF1. GENERACIÓ I DISTRIBUCIÓ DE L’ENERGIA Departament de Química

EXERCICIS. ∆E, CALOR I TREBALL

1) Calcula el canvi en la energia interna del sistema per a un procés en el que el sistema absorbeix 140 J de calor de l’entorn, i realitza un treball de 58 J sobre l’entorn.

2) En un pistó amb cilindre trobem dos gasos A i B que reaccionen per formar un producte sòlid segons la reacció:

A(g) + B(g) C(s)

Quan es produeix la reacció el sistema allibera 1150 J de calor cap a l’entorn. El pistó es mou cap amunt conforme els gasos reaccionen per donar sòlid. Quan el volum del gas disminueix sota la pressió constant de l’atmosfera, l’entorn realitza un treball de 480 J sobre el sistema. Quin és el canvi d’energia interna del sistema?

3) S’escalfa una mostra de gas afegint 5000 kJ de calor.

a) Si el volum es manté constant, quina és la variació d’energia interna ∆E de la mostra?

b) Si a més d’afegir calor a la mostra també s’efectua 1000 kJ de treball sobre la mateixa, quin és el canvi d’energia interna de la mostra?

c) Suposem que a l’escalfar la mostra original es permet que s’expandeixi contra l’atmosfera de manera que efectua 6500 kJ de treball sobre el seu voltant; quin és el canvi d’energia interna de la mostra?

4) Suposant que els gasos són ideals calcula la quantitat de treball que s’efectua (en joules) en cadascuna de les següents reaccions. En cada cas indica si el treball és efectuat sobre o per el sistema:

a) en la reacció del procés Mond per purificar níquel es forma un gas volàtil, tetracarbonil de níquel a 50-100 ºC. Considerem que s’empra un mol de níquel i es manté una temperatura constant de 75º C.

Ni(s) + 4CO(g) Ni(CO)4 (g) b) La conversió d’un mol de diòxid de nitrogen (color cafè) en tetraòxid de

dinitrogen (incolor) a 30,0 ºC. 2NO2(g) N2O4(g)

5) Calcula la quantitat de treball que s’efectua (en joules) en cadascuna de les següents reaccions. En cada cas indica si el treball és efectuat sobre o per el sistema:

a) L’oxidació d’un mol de HCl(g) a 200 ºC. 4HCl(g) + O2(g) 2Cl2(g) + 2H2O(g)

b) Descomposició d’un mol d’òxid nítric (contaminant atmosfèric) a 300º C 2NO(g) N2(g) + O2(g)

M4. OPERACIONS DE SERVEIS AUXILIARS UF1. GENERACIÓ I DISTRIBUCIÓ DE L’ENERGIA Departament de Química 6) Quan un gas ideal s’expandeix a temperatura constant no hi ha canvi en la energia

cinètica molecular (la energia cinètica és proporcional a la temperatura) ni tampoc varia l’energia potencial deguda a atraccions intermoleculars (en un gas ideal són 0). Per tant per l’expansió isotèrmica d’un gas ideal (Tª = constant) ∆E = 0. Suposem que un gas s’expandeix isotèrmicament de 2,00 a 5,00 l en dues etapes: a) contra una pressió externa constant de 3,00 atm, seguida per b) una pressió externa constant de 2,00 atm. La pressió inicial del gas és de 5,00 atm. Calcula q i w per a l’expansió en dues etapes.

7) Explica que vol dir que la capacitat calorífica de l’aigua és de 4180 J/kg ºC.

8) Quina quantitat de calor s’haurà de transmetre a 500 g d’aigua per escalfar-la de 20ºC a 40ºC ?

9) Calcula quina quantitat de calor necessitem per escalfar 2 kg de plom de 20ºC fins a 100ºC.

10) Mirant la taula de capacitats calorífiques, a quines substàncies els és més fàcil escalfar-se? I a quines els és més difícil?

11) En algunes cases amb calefacció solar, s’utilitzen grans superfícies de roca per emmagatzemar calor. Considerant que el calor específic de les roques és de 0,82 J/g·K, calcula la quantitat de calor absorbida per 50,0 kg de roques, si la seva temperatura augmenta 12,0 ºC.

Quin canvi de temperatura experimentarien aquestes roques si emetessin 450 kJ de calor?

12) Si escalfem dos cossos, A i B, amb el mateix fogonet durant 3 minuts, i un augmenta més de temperatura que l’altre: a) A què pot ser degut? b) Has comunicat la mateixa calor als dos cossos?

13) Si tenim un tanc ple de 400 L d’aigua a 80ºC, quina quantitat d’aigua a 20ºC hi haurem d’afegir per aconseguir una temperatura d’equilibri de 50ºC? (densitat de l’aigua 1kg/L)

14) S’escalfen 200 g d’aigua des de 20ºC a 80ºC. a) Calcula, en joules, la quantitat de calor que s’ha necessitat. b) S’escalfen al mateix fogó elèctric, durant el mateix temps, 2.000 g de mercuri.

Calcula l’elevació de la temperatura que experimenten. c) Calcula també la quantitat que cediran els 200 g d’aigua a 80ºC quan es refredin

fins a 20ºC.

15) Disposem de 1 kg d’aigua i de 1kg d’alumini a la mateixa temperatura (molt superior a la temperatura ambient). Es refredaran amb la mateixa rapidesa?

M4. OPERACIONS DE SERVEIS AUXILIARS UF1. GENERACIÓ I DISTRIBUCIÓ DE L’ENERGIA Departament de Química 16) Es mesclen 600 g d’aigua a 25ºC amb 500 g que estan a 80ºC. La temperatura de la

mescla en equilibri és de 50ºC.

a) Calcula la quantitat de calor cedida per l’aigua calenta. b) Calcula la quantitat de calor absorbida per l’aigua freda. c) Compara aquestes quantitats de calor. d) En una experiència real, la temperatura d’equilibri ha estat de 48ºC. Calcula les

quantitats de calor cedides i absorbides en aquesta experiència. e) Compara aquestes quantitats de calor i explica la diferència entre el càlcul teòric i

els resultats experimentals.

17) Si tenim dos blocs, un de plom i l’altre de coure, tots dos de 1 kg de massa i inicialment a la mateixa temperatura. Si els hi proporcionem la mateixa quantitat d’energia en forma de calor, assoliran també la mateixa temperatura?

18) Calcula q, w i ∆U per la vaporització d’ 1,0 g d’etanol líquid a 1,0 atm i 78,0ºC per formar etanol gasós a 1,0 atm i 78ºC. (Dades detanol (l) = 0,789 g/ml Lv (etanol) = 854 J/g

19) Calcula l’energia que es desprèn en forma de calor al refredar-se 1 litre d’alcohol des de 30 ºC a 10 ºC. La densitat de l’alcohol a 30 ºC és de 780 kg/m3.

20) En un sistema domèstic de calefacció per aigua calenta, l’aigua arriba als radiadors a una temperatura de 60 ºC i surt a 38 ºC. Es vol substituir el sistema de calefacció per un altre de vapor en el qual el vapor a pressió atmosfèrica es condensa en els radiadors sortint d’aquests a 82 ºC. Quants kilograms de vapor subministren la mateixa quantitat de calor que subministrava 1 kg d’aigua calenta en la primera instal·lació? (Dades: ce (aigua) = 1 cal/g ºC, Lcondensació (aigua)= -539 cal/g)

21) Una peça de metall de 200g de massa a la temperatura de 100 ºC es col·loca en un calorímetre que conté 400 g d’aigua a la temperatura de 18 ºC. Si la temperatura final del metall i de l’aigua és de 25 ºC, quina és la “calor específica” del metall?

22) Disposem d’aigua a 15 ºC i d’aigua a 65 ºC. Quina quantitat hem d’agafar de cadascuna per tenir 50 kg a 45 ºC?

23) Quina quantitat d’energia tèrmica cal per convertir 2,0 kg d’aigua a 100ºC en vapor d’aigua a 100 ºC? (La calor de vaporització de l’aigua a 100 ºC és de 2.260.000 J/kg)

24) Determina l’energia que ha estat necessària per vaporitzar un volum de 1000 litres d’aigua que inicialment es trobava a T = 20 ºC. (Dades: Ce=4,18 kJ/kgºC; Lv = 2257 kJ/kg)

25) Si tenim 10 m3 d’aire a 150 kPa de pressió i 293 K de temperatura, quin volum ocuparan si els descomprimim isotèrmicament (T constant) fins a 50 kPa?

M4. OPERACIONS DE SERVEIS AUXILIARS UF1. GENERACIÓ I DISTRIBUCIÓ DE L’ENERGIA Departament de Química 26) Si disposem de 5 m3 de H2 a 298 K i 8·105 Pa, quin volum ocuparà si l’escalfem

isobàricament (P constant) fins a 313 K?

27) Si disposem de 5 m3 de H2 a 298 K i 8·105 Pa, quina pressió assolirà si l’escalfem a volum constant (isocòricament) fins a 313 K?

28) Calculeu quina és la massa de nitrogen N2 en grams i mols que ocupa un volum de 10 litres a una temperatura de 200 ºC i 0,9 atm. (R=0,082 atm·l/mol·K)

29) Si hem recollit 0,250 L d’heli, He, a una pressió de 1,5·105 Pa i una temperatura de 295 K, calculeu el volum que tindrà l’heli si el descomprimim fins a una pressió atmosfèrica i a la temperatura de 0ºC.

30) Introduïm en una bombona de 25 dm3, 35 g de N2 i 14 g de O2, i l’escalfem a 543 K. Calculeu quines seran les pressions parcials i la pressió total de la mescla.

31) Calculeu les pressions parcials que exerceixen una mescla de 18g de O2, 13 g de SO2 i 23 g de SO3, a 295 K que ocupen entre els tres un volum d’1 L.