Estado Líquido - Apuntes 23 PDF

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1/.

ESTADO LÍQUIDO

Estado intermedio entre sólido y gas, por lo que las fuerzas de cohesiónrepulsión son moderadas y las partículas fluyen libremente. IMPORTANCIA -A nivel industrial, complementan el trabajo con gases en los procesos de calefacción y refrigeración. -Calderas generadoras de vapor para mover pistones, turbinas. Dispersantes de reactivos en reactores. -Conductores de calor en intercambiadores de calor. -Difusión de sustancias en las células animales y vegetales, para facilitar los procesos de nutrición, digestión, respiración, etc.

TRANSFORMACION DE LA MATERIA PROCESO FISICO- CALORIMETRIA: Cuantificación de calores que involucran transformación física del material. PROCESO QUIMICO - TERMOQUIMICA: Cuantificación de calores que involucran un cambio químico de la materia. En ambos procesos hay dos calores: Uno que es positivo en este caso la materia absorbe calor. El otro calor es negativo y en este caso la materia libera calor. PROCESOS FISICOS – CAMBIOS DE ESTADO Debe existir variación de temperatura o presión para que ocurra cambio de estado de la materia. En un proceso de calentamiento, la materia absorbe calor, se rompen las fuerzas de atracción de las partículas. En el proceso de enfriamiento la materia libera calor, las partículas pierden movilidad, reagrupándose nuevamente.

2/. La materia cambia de un estado a otro por efecto de la temperatura y presión, ya sea aumentando o disminuyendo la energía calórica. En la naturaleza es frecuente observar que la materia cambia de un estado a otro. Tal vez el ejemplo más conocido sea el caso del agua, que se puede encontrar en forma sólida, líquida y gaseosa. Se reconocen 2 tipos de cambios de estado: Progresivos y regresivos. CAMBIOS DE ESTADO PROGRESIVOS Los cambios de estado progresivos se producen cuando se aplica calor a los cuerpos y son: sublimación progresiva, fusión y evaporación. - Sublimación progresiva: Este cambio se produce cuando un cuerpo pasa del estado sólido al gaseoso directamente. Ejemplo: sublimación del yodo, sublimación de la naftalina. La naftalina tiene como temperatura de sublimación 78ºC  Fusión: Es el paso de una sustancia, del estado sólido al líquido por la acción del calor. La temperatura a la que se produce la fusión es característica de cada sustancia. Por ejemplo, la temperatura a la que ocurre la fusión del hielo es 0º C. La temperatura constante a la que ocurre la fusión se denomina Punto de Fusión. A esta temperatura existe un equilibrio entre el estado cristalino de alta ordenación y el estado líquido más desordenado.  Evaporación: Es el paso de una sustancia desde el estado líquido al gaseoso. Este cambio de estado ocurre normalmente a la temperatura ambiente, y sin necesidad de aplicar calor. Bajo esas condiciones, sólo las partículas de la superficie del líquido pasarán al estado gaseoso, mientras que aquellas que están más abajo seguirán en el estado inicial. Sin embargo, si se aplica mayor calor, tanto las partículas de la superficie como las del interior del líquido podrán pasar al estado gaseoso. El cambio de estado así producido se llama Ebullición. La temperatura que cada sustancia necesita para alcanzar la ebullición es característica de cada sustancia y se denomina Punto de Ebullición. Por ejemplo, el punto de 3/.

3/. Ebullición del H2O a nivel del mar es 100º C. Observaciones: La temperatura a la que ocurre la fusión o la ebullición de una sustancia es un valor constante, es independiente de la cantidad de sustancia y no varía aun cuando ésta continúe calentándose. CAMBIOS DE ESTADO REGRESIVOS Los cambios de estado regresivos son aquellos que se producen cuando los cuerpos se enfrían. Se reconocen 3 tipos: Sublimación regresiva, solidificación y condensación.  Sublimación regresiva: Es el cambio de estado que ocurre cuando una sustancia gaseosa se vuelve sólida, sin pasar por el estado líquido. Para el caso de la temperatura de sublimación regresiva de la naftalina es 78ºC (temperatura de equilibrio solido - gas). Solidificación: Es el paso de una sustancia desde el estado líquido al sólido. Este proceso ocurre a una temperatura característica para cada sustancia denominada punto de solidificación y que coincide con su punto de fusión (temperatura de equilibrio solido – liquido. para el caso del agua es 0ºC (temperatura de equilibrio solido - liquido)  Condensación: Es el cambio de estado que se produce en una sustancia al pasar del estado gaseoso al estado líquido. La temperatura a la que ocurre esta transformación se llama punto de condensación el cual corresponde al punto de ebullición. Para el caso del agua es 100ºC (temperatura de equilibrio gas – líquido) ( Tb )

⇆

SOLIDO

(Tf )

⇆

SOLIDO

(Tsub )

LIQUIDO

(Tcond) VAPOR (GAS)

( Tsol)

⇆

LÍQUIDO

(

Tsur) GAS-

4/. ESQUEMA DE PROCESOS CAMBIOS DE STADO A LAS TEMPERATURAS DE EQUILIBRIO

PROPIEDADES FISICAS y

PROPIEDADES QUIMICAS

(Propiedades intensivas y extensivas) Temperatura de ebullición, Temperatura de fusión, Viscosidad, Densidad, Masa, Volumen, Calor específico, etc PROPIEDADES TERMODINAMICAS Energía interna( ∆E) , Entropía (∆S), Entalpia( ∆H)., Calor especifico (Ce)

5/. Calor especifico, Ce : Es el calor necesario para elevar la temperatura de un gramo de cualquier sustancia, 1ºC Para el hierro, Ce Fe = 0.12 cal/g ºC Para el agua, Calor especifico en los tres estados: Ce H2O : Vapor, 0.48 cal/gºC Líquido, 1.0 cal/gºC Sólido, 0.5 cal/gºC

DEFINICION DE CALORES A TEMPERATURA CONSTANTE CALOR DE FUSION, (∆Hf ): Calor necesario para pasar una unidad de masa solida a una unidad de masa liquida a temperatura constante. Para el agua ∆Hf = 80 cal/g (∆Hs = -80 cal/g)

CALOR DE VAPORIZACION, (∆Hv) Calor necesario para pasar una unidad de masa liquida a una unidad de masa de vapor a temperatura constante.

Para el agua ∆Hv = 540 cal/g (∆Hcon= -540 cal/g )

6/. TIPO DE CALORES En el proceso de calentamiento y enfriamiento se tienen dos tipos de calores: calor latente y calor sensible.

CALOR SENSIBLE: Depende de la cantidad de sustancia, del tipo de sustancia y de la temperatura

q = m .Ce ∆T

CALOR LATENTE: Es independiente de la temperatura, solo depende de la cantidad de sustancia y del Tipo de sustancia.

Q = m ∆H

DIAGRAMAS O CURVAS DE CALENTAMIENTO Y ENFRIAMIENTO

Son diagramas esquemáticos de temperatura contra calores (sensibles o latentes), para representar los procesos de calentamiento enfriamiento. El calor total añadido a un material (Calor total), en el proceso de calentamiento es igual a la suma de calores sensibles + calores latentes. De la misma forma el calor total extraído un material (Calor total) en el proceso de enfriamiento de un material es igual a la suma de los calores sensibles + calores latentes. A continuación presentamos un diagrama de calentamiento o curva de calentamiento. Muestra el proceso de calentamiento desde una temperatura menor a una temperatura mayor. Veamos lo que ocurre:

7/. -Suponemos que en el punto A, está la temperatura inicial TA. Calentamos del punto A hasta el punrto B (punto de fusión, TB), aquí hay un Calor sensible, q1.El estado es sólido sobre enfriado -Calentamos a temperatura constante, TB desde el punto B hasta el punto C, aquí hay un calor latente, Q1. El estado es sólido más líquido, cuando se llega al punto C toda la sustancia se ha convertido en líquido. -Posteriormente calentamos desde la temperatura fusión, TB hasta la temperatura TD donde todo el material es líquido, aquí es un calor sensible sensible. -Calentamos a temperatura constante, desde el punto D hasta el punto E. Es un calor latente donde el estado de la sustancia es líquido más vapor y cuando se llega al punto E, toda la sustancia es vapor. -De ahí en adelante lo que hay es vapor sobre calentado.

8/.

El diagrama o curva de enfriamiento es lo contrario, de arriba hacia abajo, empezando por la izquierda en calor cero. De la temperatura inicial alta se baja hasta la temperatura indicada. PROBLEMA: Calcular el calor total añadido a una muestra de 25g de agua que se calientan desde -8°C hasta 105°C. DATOS: Para el agua tenemos:

Ce H2O : Vapor, 0.48 cal/gºC Líquido, 1.0 cal/gºC Sólido, 0.5 cal/gºC ∆Hv = 540 cal/g

| (∆Hcon= -540 cal/g )

∆Hf = 80 cal/g

| (∆Hs = -80 cal/g)

9/.

Tomando Como referencia el diagrama de calentamiento tenemos: Calor sensible, q = m .Ce ∆T

|

calor latente, Q = m ∆H

q1 = m .Ce ∆T = 25g x 0.5cal/g°C.( 0°C – (- 8°C)) = 100 cal Q1 = m ∆Hf

= 25gx 80 cal/g

= 200 cal

q2 = m .Ce ∆T = 25g x 1.0cal/g°C.( 100°C – 0°C)) = 2500 cal Q2 = m ∆Hv

= 25gx 540 cal/g

=13500 cal

Q3 = m .Ce ∆T = 25g x 0.48cal/g°C.( 105°C –100°C)) = 60 cal El calor total = Calores latentes + Calores sensibles = 100 cal + 200 cal + 2500 cal + 13500 cal + 60 cal = 16360 cal...