FISICOQUÍMICA Ic. Ejercicios Y Problemas

FISICOQUÍMICA Ic.Ejercicios y problemasDepartamento de fisicoquímicaFacultad de Ciencias Exactas, Químicas y Naturales.Universidad Nacional de Misiones(UNaM)

FISICOQUÍMICA Ic.Ejercicios y problemasManuel Antonio NovoAlicia Esther AresEditorial UniversitariaUniversidad Nacional de Misiones

Editorial UniversitariaUniversidad Nacional de MisionesCoronel José Félix Bogado 2160Posadas - Misiones - Tel-Fax: (0376) 4428601Correo electrónico: ventas@editorial.unam.edu.arColección: Cuadernos de CátedraCoordinación de la edición: Claudio O. ZalazarPreparación para la WEB: Francisco A. SánchezAres, Alicia EstherFisico-química Ic.: ejercicios y problemas. - 1a ed. - Posadas:EDUNAM - Editorial Universitaria de la Universidad Nacional de Misiones, 2015.E-Book.ISBN 978-950-579-342-61. Física. 2. Química. 3. Educación Universitaria. I. TítuloCDD 530.071 1Fecha de catalogación: 05/09/2014ISBN: 978-950-579-342-6 Editorial UniversitariaUniversidad Nacional de MisionesPosadas, Misiones 2014

IntroducciónDado que resulta imposible tratar de aprender Fisicoquímica sin larealización de problemas, el presente cuaderno surge comoresultado del trabajo realizado por más de treinta años por losdocentes de la asignatura y es un aporte didáctico a la tarea deaprendizaje de los alumnos que cursan Fisicoquímica Ic, que nopretende reemplazar a la lectura de los libros específicos, por lo queen cada tema se presentan primero alguno/s problema/s resueltos yluego una propuesta de problemas a resolver. Este trabajoconstituye una sugerencia de actividades a realizar durante elcursado de la asignatura y pretende indicar una metodología deestudio de la asignatura.Se presentan once temas distribuidos de la siguiente manera:Tema I: Sistemas de UnidadesTema II: CalorimetríaTema III: Trabajo y Primer Principio de la TermodinámicaTema IV: Segundo Principio de la TermodinámicaTema V: Gases RealesTema VI: Equilibrio entre FasesTema VII: TermoquímicaTema VIII: Propiedades Molares ParcialesTema IX: Grado de ReacciónTema X: FugacidadTema XI: Equilibrio QuímicoAdemás de los problemas de propia elaboración que se incluyen, seproponen otros, en sus formas originales o modificadas, tomados dela bibliografía recomendada en el programa de la Asignatura.Se presentan para práctica de los estudiantes y utilización de losdocentes en el dictado curricular más de 200 problemas, entreresueltos y propuestos. Se considera un número suficiente para lasuma de temas tratados, de manera de poder generar un menúadecuado a cada plan de actividades, pero de ninguna manera esnecesario ni sugerido el desarrollo de su totalidad, para un buencursado o proceso de aprendizaje de la asignatura.5

Tema ISISTEMAS DE UNIDADES-Magnitudes Primarias, Independientes o Fundamentales: son aquellas paralas que establecemos escalas de medidas arbitrarias.-Magnitudes Secundarias, Dependientes o Derivadas: son aquellas cuyasdimensiones se expresan en función de las fundamentales o primarias.Para tener un Sistema de Unidades debemos elegir:i)ii)iii)iv)v)Las magnitudes fundamentales,El patrón de esas magnitudes,Las unidades del patrón,Una ley universal que relacione las magnitudes,La constante de proporcionalidad de la ley.Las magnitudes fundamentales o dimensiones que se utilizan en Mecánica son elconjunto completo o un subconjunto de FMLθ.De esto surgen tres grandes grupos de Sistemas de Unidades:GRUPO I: MLθ Dinámicos ó absolutos.GRUPO II: FLθ Estático, Técnico, Gravitacional ó Terrestre.GRUPO III: FMLθ Mixto ó Ingenieril.La Ley Universal utilizada en Mecánica es la Segunda Ley de Newton, que estableceque la masa de un objeto, considerado como una partícula por la aceleración que poseees proporcional a la fuerza que actúa sobre él, o sea:F KN.m.aDonde KN es la constante de proporcionalidad de la segunda Ley de Newton ycompatibiliza dimensionalmente la ecuación.Los Sistemas que eligen KN unitario y adimensional se denominan sistemas compatiblesde unidades como el MKS y el cgs.6

F KN.m.aF M.Lϑ2MKSF Kg .cgsmF g.2scms2Existen sistemas en los cuales la constante de proporcionalidad no es 1, como el casodel mixto europeo. Las escalas de fuerza y masa se eligen de tal modo que el peso de uncuerpo a 45 de latitud y a nivel del mar sea numéricamente igual a su masa.A 45 de latitud y a nivel del mar se define la aceleración normal de la gravedad:gg 9,80665 m/s2.Para este sistema, por lo tanto, como F KN.m.a: m1K g k N .1K g .9 ,80665 2sK g .s 211.kN 9 ,80665 K g .m g cK .mg c 9 ,80665. g 2K g .sEsta constante se conoce con el nombre de constante gravitacional y se deduce de laSegunda Ley de Newton, su valor depende de las unidades de medida elegidasarbitrariamente y no se debe confundir con gg que aunque sea numéricamente igual,dimensionalmente no lo es.gg Aceleración Normal de la Gravedadgc Constante Gravitacional de la Segunda Ley de NewtonF KN.m.a 1gc.m.aSe recomienda fuertemente el uso del método del factor unitario adimensional y delsistema internacional de unidades (SI) para la resolución de los problemas.7

Principales Sistemas de Unidades para cada grupo.G I: M, L, T(DINÁMICO O ABSOLUTO)DIMENSIONES FUNDAMENTALESFMLθ (tiempo)gc 1 K N gc mslb (libra)ft (pie)s11DinaNewton g.cm 2 s Kg .m 2 s G II: F, L, TG III: F, M, L, T(TÉCNICO, GRAVITACIONAL (MIXTO O INGENIERIL)OTERRESTRE)EUROPEOINGLESEUROPEO INGLÉSKg flb fP FSENERGÍA O TRABAJOFUNDAMENTALFUNDAMENTALBariaPascal g 2 cm.s Kg 2 m.s ErgiomsftsKgms1Kg .m9,80665Kg f .s 21POTENCIAg.cms332,174lb. ftlb f .s 2Poundal lb. ft 2 s FUNDAMENTALlbft .s 2lb. ft 2s2 Kg .m 2 2 s FUNDAMENTAL Kg f .s m 2FUNDAMENTAL FUNDAMENTAL FUNDAMENTALSlug lb f .s 2 ft Kg .m 2 3 s lb. ft 2s38FUNDAMENTAL FUNDAMENTALKg flb fKg flb f222ft 2mKg f .mftmlb f . ftHPWatt (Joule/s)2lbftsDERIVADA1Joule g.cm 2 2 s lb fDERIVADAU.T.M.MKg f Kg f .m s Kg f .mlb f . ftHPlb f . fts Kg f .m s lb f . fts

Escalas de TemperaturaSistema Métrico-Escala Celsius o Centígrada-Escala KelvinAmbas escalas son iguales entre sí, es decir: 1 C 1 K.Sistema Inglés:-Escala Fahrenheit-Escala RankineAmbas escalas son iguales entre sí, es decir: 1 F 1 R.Equivalencias entre los Sistemas Métrico e Inglés:Temperatura del Punto de Hielo: Se define como la temperatura de una mezcla de aguay hielo que está en equilibrio con aire saturado a una presión de 1 atmósfera.Temperatura del Punto de Vapor: Se define como la temperatura a la se encuentran enequilibrio agua y vapor de agua a una presión de 1 atmósfera.Celsius( C)Kelvin(K)Fahrenheit( F)Ranking(R)Punto de Vapor100373,16212671,69Punto de Hielo0273,1632491,69Cero Absoluto-273,160-459,69(0)9(459,69)0

Conversión de Temperatura y Unidades de Temperatura:- Sistema Métrico:400TEMPERATURA (K)350300T (K) t ( C) 273.16R2 1250200150100500-300-200-1000100200TEMPERATURA ( C)Pendiente ( 273.16 0 )KK 1[ 0 ( 273.16 )] C C TC TKTC2 TC1 TK 2 TK1Ordenada al Origen: 273,16 K- Sistema Inglés:800TEMPERATURA (R)T(R) t( F) 459.69R2 ATURA ( F)10100200300

Pendiente R(459.69 0)R 1[0 ( 459.69)] F F TF TRTF2 TF1 TR 2 TR1Ordenada al Origen: 459,69 R- Sistemas Absolutos:800TEMPERATURA (R)700T(R) 1.8*t( K)R2 ATURA (K)Pendiente 9 R5K- Sistemas No Absolutos:TEMPERATURA ( F)300200T( F) 1.8*t( C) 32 FR2 11000-300-200-1000100TEMPERATURA ( C)Pendiente (212 32) F F 1.8[100 0] C COrdenada al Origen: 32 F11200

Calor – Unidades de Calor El Calor es energía en tránsito.Entre dos cuerpos a diferente temperatura en contacto, se producirá unatransferencia de calor del cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura.La energía que se transfiere en virtud de la diferencia de temperatura sedenomina “calor”.El calor es una forma de energía asociada al movimiento de los átomos,moléculas y otras partículas que forman la materia.El calor puede ser generado por reacciones químicas (como en la combustión),nucleares (como en la fusión nuclear de los átomos de hidrógeno que tienenlugar en el interior del Sol), disipación electromagnética (como en los hornos demicroondas) o por disipación mecánica (fricción).Su concepto está ligado al Principio Cero de la Termodinámica, según el cualdos cuerpos en contacto intercambian energía hasta que su temperatura seequilibre.El calor que puede intercambiar un cuerpo con su entorno depende del tipo detransformación que se efectúe sobre ese cuerpo y por tanto depende del camino.Los cuerpos no tienen calor, sino energía interna.El calor es la transferencia de parte de dicha energía interna (energía térmica) deun sistema a otro, con la condición de que estén a diferente temperatura.El científico escocés Lord Ewan D.Mcgregor descubrió en 1905 la constante delcalor específico en la ecuación de Q m c (1cal/gºc) tº .Caloría: es la cantidad de calor que se necesita transferir a un gramo de aguapara elevar su temperatura de 14,5 a 15,5 C de temperatura.El calor específico del agua es igual a: Ce 1 Calg . CKilocaloría: es la cantidad de calor que se necesita transferir a un kilogramo deagua para elevar su temperatura de 14,5 a 15,5 C de temperatura. El calor específico del agua es igual a: C 1 KcaleKg . CB.T.U.: es la unidad térmica británica (British Thermal Unit) y representa lacantidad de calor que se debe entregar a una libra de agua para elevar sutemperatura de 60 a 61 F. El calor específico del agua es igual a: Ce 1 12BTUlb. F

PROBLEMAS PARTE I Problema Nº 1.1: RESUELTO1) Transformar al sistema cgs y terrestre europeo (FLT) (estático; gravitacional)las siguientes unidades:a) 315 squinb) 570 ft/segc) 930 lbf.md) 10 Hpe) 305 lbf /sqftf) 145 lbf.seg/squin (viscosidad)Solucióna.1.) 315 squin al sistema terrestre europeo: cm 2 1m 2 . 315squin 315squin. 6.4516squin 10 4 cm 2 0.2032m 2 . a.2.) 315 squin al sistema cgs: cm 2 2032.25cm 2315squin 315squin. 6.4516squin b.1.) 570 ft/s al sistema terrestre europeo:570ft m mft 570 0.3048 173.74ss ft sb.2.) 570 ft/s al sistema cgs:570ft cm cmft 570 30.48 17374ss ft sc.1.) 930 lbf.m al terrestre europeo: Kg930lb f .m 930lb f .m. 0.453 flb f c.2.) 930 lbf.m al cgs: 421.98Kg f .m 13

dinas cm 10 4.137 * 10 8 dina.m. 10 2930lb f .m 930lb f .m. 4.448 * 10 5 4.137 * 10 dina.cm lb f m 4.137 * 1010 ergiosd.1.) 10 Hp al sistema terrestre europeo: m.Kg f10Hp 10Hp. 76.04Hp.s m.Kg f 760.4s d.2.) 10 Hp al sistema cgs: dinas dinas.m 2 cm 10 gr.cm cm 7.45 * 10 8. 9.8 * 10 5. 10 7.45 * 10 2 . Kg f sm s s gr.cm 2 7.45 * 1010s310Hp 760.4m.Kg fse.1.) 305 lbf/sqft al sistema europeo:305lb flb 305 fftftsqsq Kg. 0.453 flb f . Kg1 1489.1 2f21mmft10.76sqe.2.) 305 lbf/sqft al sistema cgs:lblb305 fft 305 fftsqsq lb.ft. 32.1742lbf .s 1ft 453.6g g5 dina . . 1,460 * 10 . 2 30.48cm1lbcmcm.s 2 cm 2 1,46.10 5 baria f.1.) 145 lbf.seg/squin al sistema europeo:145lb f .slb .s lb.ft 145 f . 32.174squinsquin lb f s 2 gcm in 2 . 453.6 . 30.48 . lb ft (2.54 )2 cm 2 9.99.10 6 poise14 g 9.99.10 6 cm.s

f.2.) 145 lbf.seg/squin al sistema cgs:145lb f .slb .sKg f. 145 f .0.453squinsquinlb f126.451cmsquin 10.19Kg f .sKg f .s1 1.019 * 10 5.22cm1mm210 4 cm 2 Problema Nº 1.2:Calcular la presión relativa en kgf/m2 que ejerce sobre su base una columna de2agua de 12 m de altura, siendo gg 9,8 m/seg .P h.g m.g gV .g c.h δ .gggc.h Problema Nº 1.3:Cien libras de agua fluyen a través de un tubo a una velocidad de 10 ft/seg. Cuál es laenergía cinética del agua expresada en lbf.ft?Ek 1/2.m.v2 Problema Nº 1.4:Calcular la energía cinética de un vehículo de 4000 lb que viaja a 60 millas/hr.Expresar el resultado en:a)Kgf.mb)lbf.ftc)Julios Problema Nº 1.5:Calcular el peso de un cuerpo cuya masa es de10 kg.Expresar en:a) MLTb) FMLTPROBLEMAS PARTE II. PRESION Problema Nº 1.6: RESUELTO1) La presión manométrica de un tanque de CO2 utilizado para llenar botellas de aguagaseosa es de 65 psig. Al mismo tiempo el barómetro indica una lectura de 30,5 inch demercurio. ¿Cuál es la presión absoluta en el tanque expresada en:a) lbf/squin abs (psia)b) mm Hg absc) kgf/cm2 absd) mts de H2O15