Primer principio de la Termodinámica 03

 

Un gas que inicialmente ocupa un volumen 1,2 litros, se expansiona a temperatura constante hasta que su volumen es 2,5 litros. Calcular el trabajo realizado por el gas, si para realizar el proceso debe vencer una presión exterior de 1,1 atm. Expresar el resultado en kJ.

 
Dato: 1 atm = 1,01·105 Pa
 
Solución:
 
Datos: V0 = 1,2 L; V = 2,5 L; P = 1,1 atm
 
El trabajo de expansión del gas se realiza a presión constante, luego:
 
 
El resultado positivo indica que el trabajo ha sido realizado por el sistema.

También se puede resolver de la siguiente forma:

Trabajo de expansión de un gas:

TRABAJO EXPASION 03

W = Fext·∆x·cos 180 = –Fext·∆x

Presión del gas:

P = Fext/S = Fext/(V/∆x) = Fext·∆x/∆V

Fext·∆x = P ∆V

Sustituyendo en la expresión del trabajo, tenemos que:

W = –P·∆V

W = –1,1 atm·(2,5 – 1,2) L = –1,43 atm·L = –0,14 kJ

Teniendo en cuenta el siguiente criterio:

Si el trabajo es realizado por el sistema (pierde energía) W < 0 y si es realizado sobre el sistema (gana energía) W > 0.

Por lo tanto, el resultado negativo indica que el trabajo ha sido realizado por el sistema.

 

 

 

Primer principio de la Termodinámica 02

 

Un gas que absorbe 6000 J realiza un trabajo de 7000 J venciendo fuerzas exteriores. Calcula la variación de energía interna del gas.

 
Solución:
 
Datos: Q = 6000 J; W = 7000 J
 
El calor lo gana el sistema luego se considera positivo. Como el trabajo lo realiza el sistema se considera también positivo.
 
 
El signo menos indica que el sistema ha disminuidos su energía interna en 1000 J.
 

Primer principio de la Temodinámica 01

 

Halla la variación de energía interna de un gas que ha absorbido 800 J de calor y se expansiona venciendo fuerzas exteriores con lo que realiza un trabajo de 600 J.

 

Solución:

Datos: Q = 800 J; W = 600 J

Expresión matemática del Primer Principio de Termodinámica:

∆U = Q + W

Siendo:

∆U la energía interna que posee el sistema.

Q el calor intercambiado entre el sistema y el entorno (transferencia del calor)

W el trabajo intercambiado entre el sistema y el entorno (transferencia de energía en forma de trabajo)

Criterios de signos:

Si el calor es absorbido por el sistema (gana energía) Q > 0 y si es cedido por el sistema (pierde energía) Q < 0.

Si el trabajo es realizado por el sistema (pierde energía) W < 0 y si es realizado sobre el sistema (gana energía) W > 0.

Luego, en este problema, Q = +800 J y W = –600 J

Variación de la energía interna:

∆U = 800 J  + (–600) J = 800 J – 600 J = 200 J

El resultado positivo indica que el sistema ha aumentado su energía interna en 200 J.

En algunos tratados de Física se puede encontrar que el criterio de signos para el trabajo es al revés, es decir:

Si el trabajo es realizado por el sistema W > 0 y si es realizado sobre el sistema W < 0, y la expresión matemática del Primer Principio de la Termodinámica es:

∆U = Q – W

Por lo tanto, para este problema, el calor lo gana el sistema luego se considera positivo y el trabajo lo realiza el sistema luego también se considera positivo.

∆U = 800 J – 600 J = 200 J

 

 

 

Espontaneidad de las reacciones redox 03

 

Contesta de forma razonada las siguientes cuestiones:

 
a)      Indique si se produce alguna reacción al añadir un trozo de cinc metálico a una disolución acuosa de Pb(NO3)2, 1M.
 
b)      ¿Se producirá alguna reacción si añadimos plata metálica a una disolución de PbCl2, 1 M?
 
c)      Halla el potencial de la pila.
 
Datos: Potenciales de reducción:
 
 (Pb+2 / Pb) = –0,13 V ; (Zn+2 / Zn) = –0,76 V; (Ag+ / Ag) = 0,80 V 
 
Solución:
 
a) Reacción de disociación del nitrato de plomo (II):
 
Pb(NO3)2 (aq) → Pb+2 (aq) + 2 NO3 (aq)
 
Para que se produzca la reacción el plomo se debe reducir, ya que se encuentra en forma de Pb+2 en la disolución, por tanto será el oxidante y el cinc se debe oxidar, pues pasará a Zn+2, siendo el reductor.
 
E0 (Pb+2 / Pb) = –0,13 V, es el oxidante, por tener mayor potencial de reducción, y se reduce.
 
E0 (Zn+2 / Zn) = –0,76 V, el reductor, por tener menor potencial de reducción, y se oxida.
 
Por tanto, sí se produce reacción.

 

b)  Reacción de disociación del cloruro de plomo (II):

 
PbCl2 (aq) → Pb+2 (aq) + 2 Cl (aq)
 
Para que se produzca la reacción el plomo se debe reducir, ya que se encuentra en forma de Pb+2 en la disolución, por tanto será el oxidante y la plata se debe oxidar, pues pasará a Ag+, siendo el reductor.
 
E0 (Pb+2 / Pb) = –0,13 V, es el reductor, por tener menor potencial de reducción, y se oxida.
 
E0 (Ag+ / Ag) = 0,80 V, es el oxidante, por tener mayor potencial de reducción, y se reduce. Luego, no se produce reacción.
 
c)
      
Como el potencial de la reacción global es positivo, la reacción es espontánea en el sentido que está escrita, es decir, que el cinc reaccionará con el Pb+2, como ya se ha dicho en el apartado a).
 
 
Como el potencial de la reacción global es negativo, la reacción no es espontánea en el sentido que está escrita, luego la reacción no se producirá, como ya se había indicado en el apartado b).