Termodinámica y Gases: Conceptos y Ejercicios Resueltos

Preguntas y Respuestas

1. Un gas será considerado real:

a. Cuando está a altas presiones y altas temperaturas.

2. El comportamiento de un gas está dado por:

d. Cuando el producto PV es diferente a nRT.

3. Un gas real deberá cumplir:

d. La ecuación PV= znRT.

4. Si se mezclan los gases ideales A y B:

c. La presión del gas estará determinada por la suma de las presiones de A y B.

5. Al decir que el aire está compuesto por 79% volumen de nitrógeno y 21% volumen de oxígeno, se indica:

d. Que es lo mismo decir 79% volumen de nitrógeno que 79% mol de nitrógeno.

6. Un alumno tiene en su mesa de trabajo: un vaso en donde va a efectuar una reacción química, cerca de este vaso se encuentran una pipeta, un embudo y un matraz. Al llevar a cabo la reacción:

c. Solo los reactivos empleados serán el sistema.

7. La primera ley de la termodinámica enuncia:

c. Que el calor puede ser convertido en trabajo.

8. Las afirmaciones correctas serán:

c. El trabajo en un proceso de compresión gaseosa a presión constante es: P (V2-V1).

9. Respecto a la entropía, lo correcto será:

d. La energía se encuentra en una constante degradación.

10. Defina con palabras precisas:

• a. Contorno: Todo el universo fuera del sistema.
• b. Sistema: Parte del universo escogido para un estudio termodinámico.
• c. Fracción volumen: Es el mismo que el volumen desplazado del líquido.
• d. Efusión gaseosa: Salida de un gas a través de un orificio.

11. Respecto a la mezcla de gases:

c. La presión de una mezcla gaseosa es la suma de las presiones de cada componente.

12. Respecto a la difusión gaseosa:

b. El CO2 es más veloz que el NO2 a la misma temperatura. (Nota: Esto es incorrecto. El CO2 es *menos* veloz que el NO2 a la misma temperatura debido a su mayor masa molar.)

13. A la temperatura y presión ambientes, el ordenamiento molecular es menor en:

b. En el hielo de agua a 0°C.

Diferencias entre Gases Ideales y Reales, y Procesos Reversibles e Irreversibles

Gases Ideales

• Están sometidos a bajas presiones y altas temperaturas.
• Responden a la ecuación: PV=nRT.
• Desprecian el volumen ocupado por las moléculas.
• Consideran que los choques entre moléculas son perfectamente elásticos (sin fuerzas intermoleculares).

Gases Reales

• Se encuentran a altas presiones y/o bajas temperaturas.
• PV ≠ nRT; PV = znRT (donde 'z' es el factor de compresibilidad).
• No desprecia ni el volumen molecular ni las fuerzas intermoleculares.

Procesos Reversibles

Un proceso reversible es aquel que, después de haber ocurrido, puede regresar a su estado inicial sin causar cambios en el sistema ni en el entorno. Se trata de un proceso idealizado.

Procesos Irreversibles

Un proceso irreversible es aquel que, una vez ocurrido, no puede revertirse espontáneamente. La mayoría de los procesos naturales son irreversibles. Siempre hay un aumento neto de la entropía en el sistema y su entorno.

Cálculos y Ejercicios

15. Determinar la capacidad calorífica del oxígeno (g) a 1000°C utilizando su tabla.

Cp = 6,9054 + 3,2533 x 10^-3 t - 10,171 x 10^-7 t²

Cp = 6,9054 + 3,2533 x 10^-3 (1273) - 10,171 x 10^-7 (1273)²

Cp = 6,9054 + 4,1414509 - 1,648240046

Cp = 9,40

16. Las condiciones iniciales de un sistema gaseoso son: 2L a 60°C y a 7600 mm Hg, determine:

a. Número de moles y volumen real del gas a las condiciones iniciales de P y T si este es oxígeno.

b. La presión total si todo se mete isotérmicamente a un recipiente metálico de 10 L.

c. El valor del factor de compresibilidad a las condiciones iniciales dadas.

d. El número de globos que llenaría si cada globo requiere 0,1 L de gas.

e. La velocidad y la energía cinética del gas si se difundiera sin movimiento de aire para una masa gaseosa de 64 g (peso molecular 32g/mol).

(Nota: Para responder completamente a la pregunta 16, se necesitarían más datos y ecuaciones, como la ecuación de Van der Waals para calcular el volumen real, y la ecuación de la velocidad cuadrática media para la velocidad. Se asume un comportamiento ideal para algunas partes.)

Desarrollo (aproximado, asumiendo comportamiento ideal donde sea necesario):

a. P = 7600 mmHg = 10 atm; T = 60°C = 333 K; V = 2 L

Usando PV = nRT: n = (PV)/(RT) = (10 atm * 2 L) / (0.0821 L atm/mol K * 333 K) ≈ 0.73 moles

El volumen *real* requeriría una ecuación de estado para gases reales, como Van der Waals.

b. Si el volumen cambia a 10 L (isotérmicamente), la nueva presión sería:

P1V1 = P2V2 => P2 = (P1V1)/V2 = (10 atm * 2 L) / 10 L = 2 atm

c. El factor de compresibilidad (z) = (PV)/(nRT). A las condiciones iniciales, z ≈ 1 (cercano al comportamiento ideal).

d. Si tenemos 2 L de gas y cada globo necesita 0.1 L, podríamos llenar 2 L / 0.1 L/globo = 20 globos.

e. Velocidad y energía cinética:

La velocidad cuadrática media (Vrms) = √(3RT/M), donde M es la masa molar (0.032 kg/mol para O2).

Vrms = √(3 * 8.314 J/mol K * 333 K / 0.032 kg/mol) ≈ 510 m/s

Energía cinética (EC) = 1/2 * m * v², donde m = masa (0.064 kg).

EC = 1/2 * 0.064 kg * (510 m/s)² ≈ 8323 J