5.11 ¿De qué par de formas puede un objeto poseer o no
energía? ¿Cómo difieren estas dos formas entre sí?
Un
objeto puede tener energía cinética y energía potencial. La principal
diferencia es la energía potencial depende la posición del objeto con respecto
al cuerpo con el que interactúa mientras que la energía cinética depende de la
masa del objeto y su velocidad.
5.12 Suponga que lanza hacia arriba una pelota de tenis, (a)
¿Aumenta o disminuye la energía cinética de la pelota mientras toma mayor altura?
(b) ¿Qué sucede con la energía potencial de la pelota mientras va hacia arriba?
(c) Si aplicamos la misma cantidad de energía a una pelota del mismo tamaño que
la pelota de tenis, pero con el doble de masa, ¿qué tan alto llegaría en
comparación con la pelota de tenis? Explique sus respuestas.
(a)
disminuye la energía cinética conforme tome más altura.
(b)
la energía potencial aumenta conforme va disminuyendo la energía cinética y
esta va tomando cierta altura.
(c)
llegaría a la misma altura solo que con mayor energía cinética
5.13 (a) Calcule la energía cinética en joules de una pelota
de golf de 45 g que se mueve a 61 m/s. (b) Convierta esta energía a calorías,
(c) ¿Qué sucede con esta energía cuando la pelota aterriza en una trampa de
arena?
Se transforma en energía potencial, ya que al llegar a la arena
su velocidad se anula y se vuelve cero.
5.14 (a) ¿Cuál es la energía en joules de una motocicleta de
850 Ib que se mueve a 66mph? (b) ¿Por qué factor cambiará la energía cinética
si la velocidad de la motocicleta disminuye a 33 mph? (c) ¿A dónde se va la
energía cinética de la motocicleta cuando el conductor frena para detenerla?
Cuando el conductor frene la anergia cinetica se transforma
en potencial liberando calor sobre la carretera.
5.15 El uso de la Unidad Térmica Inglesa (Btu, por sus siglas
en inglés) es común en la mayoría de los trabajos de ingeniería. Una Btu
representa la cantidad de calor necesario para elevar 1 °F la temperatura de 1 Ib
de agua. Calcule el número de joules en una Btu
1BTU = 1055.056J
5.16 Un watt es una medida de potencia (la razón del cambio
de energía) igual a 1 J/s. (a) Calcule el número de joules en un kilowatt-hora.
(b) Una persona adulta irradia calor al entorno, aproximadamente a la misma
razón que un foco de 100 watts. ¿Cuál es la cantidad total de energía en kcal
que irradia al entorno un adulto durante 24 horas?
5.17 (a) ¿Cuál es el significado del término sistema en
termodinámica? (b) ¿Qué es un sistema cerrado?
Un sistema es la parte bien definida del universo en la que
se estudian sus cambios.
Un sistema cerrado cerrado puede intercambiar energía, pero
no materia, con su entorno.
5.18 En un estudio de termodinámica, un científico se enfoca
en las propiedades de una disolución dentro de un aparato, como se puede
apreciar en la figura. La disolución fluye de manera continua dentro del
aparato por la parte superior y sale por la parte inferior, de tal manera que
la cantidad de disolución en el aparato es constante con respecto al tiempo,
(a) ¿Es la disolución en el aparato un sistema cerrado, abierto o aislado?
Explique su respuesta, (b) ¿Si no es un sistema cerrado, qué podríamos hacer
para que lo fuera
(a) Es un
sistema aislado debido a que a pesar de que fluye es constante y no hay
intercambio de energía o materia.
(b) Para que
fuera un sistema cerrado no necesitaría estar en contacto con el entorno en
cuestiones de intercambio de materia y si en forma de energia.
5.19 (a) ¿Qué es el trabajo? (b) ¿Cómo determinamos la
cantidad de trabajo realizado, dada la fuerza asociada con el trabajo?
(a) La energía transferida cuando una fuerza mueve a un
objeto.
(b) La magnitud de este trabajo es igual al producto de la
fuerza, F, y la distancia, d, a la que el objeto se mueve:
w = F d
5.20 (a) ¿Qué es el calor? (b) ¿Bajo qué condiciones se
transfiere el calor de un objeto a otro?
(a) Es la energía trasferida entre un sistema y su entorno
debido a la diferencia entre sus temperaturas.
(b) La energía en forma de calor entonces se transfiere del
sistema más caliente, hacia el entorno más frío.
5.21 Identifique la fuerza presente, y explique qué tipo de
trabajo se realiza en cada uno de los siguientes casos: (a) usted levanta un
lápiz del escritorio; (b) un resorte se comprime a la mitad de su longitud
normal.
5.22 Identifique la fuerza presente, y explique si se realiza
trabajo cuando: (a) una partícula con carga positiva se mueve en un círculo, a
una distancia fija de una partícula con carga negativa; (b) se retira de un
imán un clavo de hierro.
La primera ley de la termodinámica
5.23 (a) Enuncie la primera ley de la termodinámica, (b) ¿Qué
entendemos por energía interna de un sistema? (c) ¿Cuáles son los medios para
aumentar la energía interna de un sistema cerrado?
(a) La energía se conserva. Cualquier energía perdida por el
sistema debe ganarla su entorno, y viceversa.
(b) La energía interna de un sistema es la suma de todas las
energías cinéticas y potenciales de todos sus componentes.
(c) que se aplique calor sobre el sistema (absorba) o también
que se realice trabajo sobre el sistema
5.24 (a) Escriba una ecuación que exprese la primera ley de
la termodinámica en términos de calor y de trabajo, (b) ¿Bajo qué condiciones
las cantidades q y w serán números negativos?
(a) DE=q+w
(b) q q negativa significa que pierde calor
w w negativa significa trabajo realizado por el
sistema
5.25 Calcule DE, y
determine si el proceso es endotérmico o exotérmico para los siguientes casos:
(a) un sistema absorbe 105 kj de calor de su entorno mientras realiza 29 kj de
trabajo sobre su entorno; (b) q = 1.50 kj y w= —657 J; (c) el sistema libera 57.5
kj de calor mientras realiza 22.5 kj de trabajo sobre su entorno.
5.26 Para los siguientes procesos, calcule el cambio en la
energía interna del sistema y determine si el proceso es endotérmico o
exotérmico: (a) un globo se calienta al agregar 850 J de calor, se expande y
realiza 382 J de trabajo en la atmósfera; (b) una muestra de 50 g de agua se
enfría de 30 a 15
(b)Exotérmico
(c)Exotérmico
5.27 Un gas se confina dentro de un cilindro con un pistón y
un calentador eléctrico, como aparece en la figura.Suponga que se aplica una
corriente al calentador de tal manera que se suministran 100 J de energía.
Considere dos situaciones diferentes. En el caso (1 ) se le permite al pistón
moverse mientras se suministra la energía. En el caso (2) el pistón está fijo,
de modo que no se puede mover. (a) ¿En cuál de los casos el gas tiene mayor
temperatura, después de aplicar la energía eléctrica? Explique su respuesta,
(b) ¿Qué puede decir respecto a los valores de q y w para cada uno de los
casos? (c) ¿Qué puede decir respecto a los valores relativos de DE para el sistema (el gas en el
cilindro), en los dos casos?
(a) En el caso
(1) donde el piston es capaz de realizar trabajo al moverse por lo tanto parte
del calor se pasa al piston. Mientras que en el caso (2) no es capaz de elevar
el piston dando como resultado que el gas absorba el calor y tenga la
temperatura elevada..
(b) En el caso
2 q=-100j y w=0j en el caso 1 q es positiva mientras que w será negativa al
realizar trabajo sobre el piston
(c) en el caso
2 DE es mayor ya que la energía
es absorbida mientras que en el caso 1 parte de esa energía es perdida al
realizar trabajo.
5.28 Considere un sistema que consta de dos esferas con
cargas opuestas que cuelgan mediante cuerdas y están separadas una distancia r1,
como podemos ver en la siguiente figura. Suponga que se separan a una mayor
distancia r2, que se mueven separadas a lo largo de una pista, (a)
¿Cuál es el cambio, si existe, en la energía potencial del sistema?(b) ¿Cuál es
el efecto, si lo hay, que tiene este proceso sobre el valor de DE? (c) ¿Qué puede decir respecto a
q y w para este proceso?
(A) se incrementa la energía potencial.
(B) se incrementa el cambio de energía
(C) se realiza trabajo sobre el sistema por ende w es
positivo
5.29 (a) ¿Qué significa el término función de estado? (b) Dé
un ejemplo de una cantidad que sea una función de estado y otra que no lo sea.
(c) ¿El trabajo es una función de estado? ¿Por qué sí o por qué no?
(a) El valor de una función de estado sólo depende del estado
actual del sistema, no de la trayectoria que el sistema siguió para llegar a
ese estado
(b) La energía es una función de estado el calor no lo es
(c) El trabajo no es una función de estado, ya que depende de
trayectorias o desplazamientos para lograr un cambio.
5.30 Indique cuál de los procesos siguientes es independiente
de la trayectoria por la cual ocurre el cambio: (a) el cambio en la energía
potencial cuando transferimos un libro de una mesa a un estante; (b) el calor
liberado cuando un cubo de azúcar es oxidado a CO2 (g) y H2 0(g); (c) el
trabajo que se realiza al quemarse un galón de gasolina.
(a) dependiente
(b) independiente
(c) independiente
Entalpía
5.31 (a) ¿Por qué por lo general, es más fácil medir el
cambio de entalpia que el cambio interno de energía interna? (b)Para un proceso
dado a presión constante, DH es
negativo. ¿El proceso es endotérmico o exotérmico?
(a) Como DH=q es algo
que podemos medir o calcular fácilmente, y como muchos de los cambios físicos y
químicos que nos interesan ocurren a presión constante; medir la nergia es
interna requiere de más medios como el trabajo y calor
(b) para este caso donde DH es
negativo el proceso es exotérmico
532 (a) Bajo qué condición el cambio de entalpia de un
proceso es igual a la cantidad de calor transferido hacia y desde el sistema?
(b) Durante un proceso a presión constante, el sistema absorbe calor del
entorno. ¿Aumenta o disminuye la entalpia del sistema durante el proceso?
(a) cuando DH=0
(b)Aumenta.
5.33 Dado un DH para un
proceso que ocurre a presión constante. ¿Qué informadón adicional necesita para
determinar el DE del proceso?
DE=DH-PDv: sin
embargo se deben conocer los valores de PDv para
poder calcular la energía partir de DH.
5.34
Suponga que la reacción en fase gaseosa 2NO (g)+ O2(g) 2NQ2 (g) se lleva a cabo dentro de
un recipiente a volumen y temperatura constantes. ¿El cambio de calor
representará un DH o un DE? Si existe diferencia, ¿cuál
cantidad es más grande para esta reacción? Explique.
Se calcularía DE, la
cantidad más grande sería DH, ya que
es a presión constante comparada con DE que
involucra volumen, temperaturas y el posible trabajo realizado.
5.35 Un gas se confina en un cilindro a presión atmosférica
constante, como podemos ver en la figura 5.3. Cuando el gas experimenta una
reacción química en particular, libera 79 kj de calor hacia su entorno y
realiza 18 kj de trabajo P-V en su entorno. ¿Cuáles son los valores de DH y DE para este
proceso?
5.36 Un gas se confina en un cilindro a presión atmosférica
constante, como podemos ver en la figura 5.3. Cuando agregamos 378 J de calor
al gas, se expande y realiza 56 J de trabajo en el entorno. ¿Cuáles son los
valores de DH y DE para este
proceso?
5.37 La combustión completa del ácido acético, CH3 COOH(l),para formar H2O(l) y CO2(g) a presión
constante libera 871.7 kj de calor por mol de CH3 COOH. (a) Escriba una
ecuación termoquímica balanceada para esta reacción,(b) Dibuje un diagrama de
entalpia para la reacción.
5.38 La descomposición
del carbonato de zinc, ZnCO3(s), en óxido de zinc, ZnO(s) y C02(g) a presión constante
requiere la adición de 715 kj de calor por mol de ZnC03.(a) Escriba
una ecuación termoquímica balanceada para la reacción, (b) Dibuje un diagrama
de entalpia para la reacción.
5.39 Considere la siguiente reacción, la cual ocurre a
temperatura y presión ambiente:
Bajo estas condiciones, ¿cuál tiene la entalpia más alta, 2Cl
(g) o Cl2 (g)?
2Cl
5.40 Sin consultar las tablas, prediga cuál de los siguientes
casos tiene la mayor entalpia:(a) 1 mol de CO2(s) o 1 mol de CO2(g)
a la misma temperatura, (b) 2 moles de átomos de hidrógeno o 1 mol de H2(c)
1 mol de H2(g) y 0 5 mol de O2(g)a25 °C o 1 mol de H2O(g)
a 25° C, (d) 1 mol de N2 (g) a 100°C o 1 mol de N2(g) a
300 °C.
(a)1 Mol de CO2(g)
(b)2 Mol de átomos de Hidrógeno
(c)1 Mol de H2 y 0.5mol O2
(d)1 Mol de N2(g) a 300°C
5.41 Considere la siguiente reacción:
(a) ¿Es endotérmica o exotérmica? (b) Calcule la cantidad de
calor transferida cuando 2.4 g de Mg(s) reaccionan a presión constante, (c)
¿Cuántos gramos de MgO se producen durante el cambio de entalpia de -96 .0 kJ?
(d) ¿Cuántos kilojoules de calor se absorben cuando se descomponen 750 g de
MgO(s) en Mg(s) y O2(g) a presión constante?
5.42 Considere la siguiente reacción:
(a) ¿Se absorbe o se libera el calor en el transcurso de la
reacción? (b) Calcule la cantidad de calor transferida cuando 45.0 g de CH3OH(g)
se descomponen mediante la reacción a temperatura constante, (c) Para una
muestra dada de CH3OH, el cambio de entalpia en la reacción es de
25.8 kj. ¿Cuántos gramos de gas hidrógeno se producen? ¿Cuál es el valor de DH cuando se invierte la reacción
anterior? (d) Cuántos kilojoules de calor se liberan cuando reaccionan por
completo 50.9 g de CO(g) con H2 (g) para formar CH3OH(g) a presión
constante?
5.43 Cuando se mezclan disoluciones que contienen iones plata
y iones cloruro, se precipita el cloruro de plata:
(a) Calcule el DH para
producir 0.200 moles de AgCl mediante esta reacción, (b) Calcule el DH para producir 2.50 g de AgCl. (c)
Calcule el DH cuando se disuelven en
agua 0.150 mol de AgCl.
5.44 En alguna época, una manera común de formar pequeñas
cantidades de gas oxígeno en el laboratorio era calentar KCIO3:
Para esta reacción, calcule el DH de
formación de (a) 0.632 mol de O2 y (b) 8.57 g de KCl. (c) La
descomposición del KCIO3 , procede de manera espontánea al
calentarse. ¿Cree que la reacción inversa, la formación de KCIO3a partir de KCl
y O2 , sea factible bajo condiciones normales? Explique sus
respuestas.
(c)No, ya que seria difícil la manipulación del O2
en estado gaseoso y el enfriamiento los haría inherte.
5.45 Considere la combustión de metanol líquido, CH3
OH (l):
(a) ¿Cuál es el cambio de entalpia para la reacción inversa? (b)
Balancee la ecuación directa con coeficientes enteros. ¿Cuál es el DH para la reacción representada por
esta ecuación? (c) ¿Cuál es más probable que tenga condiciones termodinámicas
más favorables, la reacción directa o la inversa? (d) Si la reacción se
escribiera para producir H20(g) en lugar de H2 0(l),
¿esperaría que la magnitud de DH aumentara,
disminuyera o permaneciera igual? Explique su respuesta.
(c)Directa.
(d)Disminuiría ya que la ecuación es un proceso endotérmico y por lo tanto sería
una DH negativa más pequeña.
5.46 Considere la descomposición del benceno líquido, en
acetileno gaseoso, C2 H2 (g):
(a) ¿Cuál es el cambio de entalpia para la reacción inversa?
(b) ¿Cuál es el DH para la formación de 1 mol
de acetileno? (c) ¿Cuál es más probable que tenga condiciones termodinámicas
más favorables, la reacción directa o la inversa? (d) Si se consume C6
H6 (g) en lugar de C6 H6 (l), ¿esperaría que
el DH aumentara, disminuyera o
permaneciera igual? Explique su respuesta.
(a) DH=-630KJ
(c) Directa
(d) Aumentaría al ser un proceso endotérmico ganaría mas calor por lo tanto
la entalpia seria mas grande.
