Energía y cambio de sistemas reactivos: termodinámica y entalpía

UNIVERSIDAD CÉSAR VALLEJO

CHICLAYO FACULTAD DE INGENIERÍA CARRERA DE INGENIERÍA DE MINAS

"Energía y cambio de sistemas reactivos: energía de enlace, entalpia estándar de formación y de reacción, Ley de Hess. energía y cambio"

CURSO:

TERMODINÁMICA ” . DOCENTE: Ing. John Bejarano Guevara INTEGRANTES: APELLIDOS Y NOMBRES Total Espinoza Gonzales, Henry Fabian (T) Segura Ramon, Jheison (T) Vera Campos, Alizon Isabel (T) TURNO: Tarde (miércoles 16 de octubre - 1:30) GRUPO: 10 CHICLAYO - PERÚ 2024

MISIÓN Y VISIÓN

Misión

La Universidad César Vallejo forma profesionales emprendedores, con valores, sentido humanista, científico y tecnológico; comprometidos con la transformación de la sociedad global para el desarrollo sostenible.

Visión

Al 2024 la Universidad César Vallejo será reconocida como una institución innovadoraque forma emprendedores con responsabilidad social.

Valores - Marco axiológico

Los siguientes valores identifican a nuestra institución y le otorgan presencia dentro de la sociedad:

Libertad - Verdad - Honestidad - Justicia - Respeto - Solidaridad - Responsabilidad - Democracia - Innovación - Emprendimiento - Competitividad

Índice

Introducción 1

General

1.1 General 2

Específicos

1.2 Específicos 2

Fundamento Teórico

II Fundamento Teórico 2

Energía

2.1 Energía 2

Tipos de energía

2.1.1 Tipos de energía 3

Formas de transferencia de energía

2.1.2 formas de transferencia de energía 5

Unidades de energía

2.1.3 Unidades de energía. 7

Fundamentos de Energía en Sistemas Reactivos

2.2 Fundamentos de Energía en Sistemas Reactivos 8

Definición de sistemas reactivos

2.2.1 Definición de sistemas reactivos. 8

Concepto de energía de enlace

2.2.2 Concepto de energía de enlace 8

Relación entre energía y estabilidad química

2.2.3 Relación entre energía y estabilidad química 9

Entalpia

2.3 Entalpia 10

Entalpía de reacción

2.3.1 Entalpía de reacción 12

Entalpía en los cambios de fase

2.3.2 Entalpía en los cambios de fase 15

Entalpias de formación

2.3.3 Entalpias de formación 16

Ley de Hess

2.3.4 Ley de Hess 17

Entalpia de Enlace

2.3.5 Entalpia de Enlace. 19

Energía y Cambio en Reacciones Químicas

2.4 Energía y Cambio en Reacciones Químicas 21

Energía en reacciones endotérmicas y exotérmicas

2.4.1 Energía en reacciones endotérmicas y exotérmicas 21

Relación entre energía y espontaneidad de una reacción

2.4.2 Relación entre energía y espontaneidad de una reacción 22

Rol de la energía libre en el cambio de sistemas reactivos

2.4.3 Rol de la energía libre en el cambio de sistemas reactivos 22

Aplicaciones Prácticas de Energía de Enlace y Entalpía en Ingeniería y Química

2.5 Aplicaciones Prácticas de Energía de Enlace y Entalpía en Ingeniería y Química 22

Uso en la ingeniería de materiales

2.5.1 Uso en la ingeniería de materiales 22

Aplicaciones en procesos de combustión y diseño de combustibles

2.5.2 Aplicaciones en procesos de combustión y diseño de combustibles 23

Relevancia en la industria farmacéutica y desarrollo de fármacos

2.5.3 Relevancia en la industria farmacéutica y desarrollo de fármacos 23

Conclusiones

III Conclusiones 24

Recomendaciones

IV Recomendaciones 25

Referencias Bibliográficas

V Referencias Bibliográficas 26

Índice de figuras

Fig. 1 Transferencia de calor entre dos cuerpos con diferentes temperaturas 6 Fig. 2 Combustión del metano 9 Fig. 3 (a) Si el sistema absorbe calor, AH es positivo (b) Si el sistema pierde calor, AH es negativo. 12 Fig. 4 . Entalpía estándar de reacción 13 Fig. 5 Formas alotrópicas del carbono (grafito, diamante y fullereno). 16 Fig. 6 Para romper un enlace se necesita darle energía al sistema. Cuando se forma un enlace, se libera energía. ......... .20 Fig. 7 La energía solar se puede transformar en energía eléctrica. 28

Índice de Tablas

Tabla 1 Cambios de entalpía de evaporación y fusión. 28 Tabla 2 Entalpías de formación 28 Tabla 3 Entalpía de enlace promedio (en kJ/mol, medidas en fase gaseosa) para distintos tipos de enlaces. .29

Introducción

El análisis de la energía y los cambios en sistemas reactivos resulta fundamental para entender cómo ocurren las reacciones químicas y los principios termodinámicos que las gobiernan. Este ámbito incluye conceptos clave como la energía de enlace, la entalpía estándar de formación y de reacción, junto con la Ley de Hess, los cuales son indispensables para prever y analizar el comportamiento de las reacciones químicas.

La energía de enlace indica la cantidad de energía requerida para romper un enlace químico específico, lo que brinda información valiosa sobre la estabilidad de moléculas y compuestos. En paralelo, la entalpía estándar de formación permite estimar el cambio energético asociado con la formación de un compuesto a partir de sus elementos en condiciones estándar. Estos datos son imprescindibles para calcular la entalpía de reacción, la cual describe el cambio energético global en una reacción química, determinando si es exotérmica o endotérmica.

El presente informe aborda el análisis y la aplicación de conceptos fundamentales relacionados con la energía y el cambio en sistemas reactivos. Se estudian aspectos clave como la energía de enlace, la entalpía estándar de formación y de reacción, así como la Ley de Hess, los cuales son esenciales para comprender los procesos químicos y térmicos que ocurren en dichos sistemas.

Inicialmente, se definen los conceptos básicos de energía y sus formas, enfatizando su transformación y transferencia en procesos físicos y químicos. Posteriormente, se examinan las características y aplicaciones de la energía de enlace, destacando su relevancia en la estabilidad de compuestos químicos y en la predicción de la viabilidad de las reacciones.

Asimismo, se detalla el cálculo de la entalpía de reacción y su relación con los procesos endotérmicos y exotérmicos, utilizando métodos basados en entalpías de formación y en la Ley de Hess. Esta última se presenta como una herramienta indispensable para calcular cambios energéticos en reacciones complejas.

Finalmente, se incluyen aplicaciones prácticas de estos conceptos en la ingeniería, la industria energética y la química, evidenciando su importancia para optimizar procesos y desarrollar tecnologías sostenibles. El informe concluye con un análisis de los resultados obtenidos y recomendaciones para futuras investigaciones y aplicaciones prácticas.

1

I Objetivos

Objetivo General

1.1 General Analizar los principios termodinámicos fundamentales, como la energía de enlace, la entalpía estándar de formación y de reacción, y la Ley de Hess, para comprender su impacto en los cambios energéticos de los sistemas reactivos y su aplicación en la ingeniería y procesos químicos.

Objetivos Específicos

1.2 Específicos

• Describir los conceptos básicos de energía, sus tipos y formas de transferencia, enfatizando su relevancia en los sistemas reactivos.
• Explicar la energía de enlace y su relación con la estabilidad química de los compuestos.
• Aplicar la Ley de Hess para calcular la entalpía de reacciones químicas mediante métodos indirectos.
• Identificar aplicaciones prácticas de la entalpía y la energía de enlace en la ingeniería, como el diseño de combustibles y materiales más eficientes.

II Fundamento Teórico

2.1 Energía

La energía es una propiedad de los sistemas físicos y químicos, al igual que la masa. En general, la energía es una propiedad abstracta, porque no la podemos tocar, ni pesar, ni ver como tal. Al contrario de la materia que se reconoce, se observa, mide y pesa, a la energía la conocemos y reconocemos por sus efectos. Para definirla lo hacemos de una manera operacional. Se comienza con las formas más simples de energía, como la cinética (1/2 mv2) o la potencial gravitacional (mgh). Conforme éstas se transforman en otras formas de energía, se proponen nuevas definiciones. Al final, tenemos una multitud de formas energéticas y decimos que la energía es cualesquiera de ellas (Garritz et al., 2006).

2Un ejemplo de esta propiedad: cuando tenemos un auto de juguete que se acciona con una liga, hemos descubierto una nueva forma de energía, que podemos llamar elástica, que se transforma en energía cinética en cuanto se desenreda la liga. Si el auto de juguete funciona con una pila y un motor eléctrico, hemos descubierto dos nuevas formas de energía: la energía eléctrica que hace funcionar el motor y se transforma posteriormente en energía cinética, y la energía de la pila, que podríamos llamar energía química, que se transforma en energía eléctrica y posteriormente en energía cinética. (Fig.1).

Por otro lado, la energía se manifiesta de muchas formas y cambia constantemente de apariencia, porque todas las formas de energía se pueden convertir unas en otras. La energía solar se convierte en energía eléctrica a través de los paneles solares que se construyen para ese propósito. Cuando hacemos ejercicio, la energía química almacenada en el cuerpo se convierte en energía cinética. Cuando el agua cae por una cascada, la energía potencial se convierte en energía cinética (Garritz et al., 2006).

2.1.1 Tipos de energía

• Energía Potencial La energía potencial es la energía que un cuerpo o un fluido tiene como resultado de estar a una altura determinada. Es decir, si contamos con un río en donde existe una caída de agua súbita, el agua que está en la altura y está por caer, tiene una determinada energía potencial que en principio puede ser aprovechada (Mendoza, s.f). Su fórmula se representa así: EP = m. g.h Donde: m = masa g = gravedad h = altura 3
• Energía cinética Çengel & Boles (2015) mencionan La energía que un sistema tiene por su velocidad relativa a un entorno en reposo, la cual puede ser determinada usando la siguiente: 1 EC == mv2 Donde: m = masa v = velocidad relativa
• Energía radiante También llamada energía solar, proviene del Sol y es la principal fuente de energía de la Tierra. La energía solar calienta la atmósfera y la superficie terrestre, estimula el crecimiento de la vegetación a través de un proceso conocido como fotosíntesis, e influye sobre los patrones globales del clima (Chang, 2001).
• Energía térmica Es la energía asociada con el movimiento aleatorio de los átomos y las moléculas. En general, la energía térmica se calcula a partir de mediciones de temperatura, Cuanto más vigoroso sea el movimiento de los átomos y de las moléculas en una muestra de materia, estará más caliente y su energía térmica será mayor. Sin embargo, es necesario distinguir con claridad entre energía térmica y temperatura. Una taza de café a 70*C tiene mayor temperatura que una tina llena con agua caliente a 40%C, pero en la tina se almacena mucha más energía térmica porque tiene un volumen y una masa mucho mayor que la taza de café. y por tanto más moléculas de agua y mayor movimiento molecular (Chang, 2001).
• Energía química es una forma de energía que se almacena en las unidades estructurales de las sustancias; esta cantidad se determina por el tipo y arreglo de los átomos que constituyen cada sustancia. Cuando las sustancias participan en una reacción química. la energía química se libera. almacena o se convierte en otras formas de energía (Chang, 2001). 4