FISICO QUIMICA

TERMODINAMICALos sistemas fsicos que encontramos en la Naturaleza consisten en un agregado de un nmero muy grande de tomos.La materia est en uno de los tres estados: slido, lquido o gas: En los slidos, las posiciones relativas (distancia y orientacin) de los tomos o molculas son fijas. En los lquidos, las distancias entre las molculas son fijas, pero su orientacin relativa cambia continuamente. En los gases, las distancias entre molculas, son en general, mucho ms grandes que las dimensiones de las mismas. Las fuerzas entre las molculas son muy dbiles y se manifiestan principalmente en el momento en el que chocan. Por esta razn, los gases son ms fciles de describir que los slidos y que los lquidos.El gas contenido en un recipiente, est formado por un nmero muy grande de molculas, 6.021023molculas en un mol de sustancia. Cuando se intenta describir un sistema con un nmero tan grande de partculas resulta intil (e imposible) describir el movimiento individual de cada componente. Por lo que mediremos magnitudes que se refieren al conjunto: volumen ocupado por una masa de gas, presin que ejerce el gas sobre las paredes del recipiente y su temperatura. Estas cantidades fsicas se denominan macroscpicas, en el sentido de que no se refieren al movimiento individual de cada partcula, sino del sistema en su conjunto.

Denominamosestado de equilibriode un sistema cuando las variables macroscpicas presinp, volumenV, y temperaturaT, no cambian. El estado de equilibrio es dinmico en el sentido de que los constituyentes del sistema se mueven continuamente.El estado del sistema se representa por un punto en un diagrama p-V. Podemos llevar al sistema desde un estado inicial a otro final a travs de una sucesin de estados de equilibrio.

Se denominaecuacin de estadoa la relacin que existe entre las variablesp,V, yT. La ecuacin de estado ms sencilla es la de un gas idealpV=nRT, dondenrepresenta el nmero de moles, yRla constante de los gasesR=0.082 atml/(K mol)=8.3143 J/(K mol).Se denominaenerga internadel sistema a la suma de las energas de todas sus partculas. En un gas ideal las molculas solamente tienen energa cintica, los choques entre las molculas se suponen perfectamente elsticos, laenerga internasolamente depende de la temperatura.Termoqumica(del gr. thermos, calor y qumica) consiste en el estudio de las transformaciones que sufre la Energa calorfica en las reacciones qumicas, surgiendo como una aplicacin de laTermodinmicaa la qumica. Frecuentemente podemos considerar que las reacciones qumicas se producen a presin constante (atmosfera abierta, es decir, P=1 atm), o bien a volumen constante (el del receptculo donde se estn realizando). El Calor intercambiado en el proceso es equivalente a la variacin de entalpa de la reaccin. qp = rH. El calor que se intercambia en estas condiciones equivale a la variacin de energa interna de la reaccin. qv = rUVariables de estadoSon magnitudes que pueden variar a lo largo de un proceso (por ejemplo, en el transcurso de una reaccin qumica)Ejemplos: Presin. Temperatura. Volumen. Concentracin.Calor de formacin).Es el incremento entlpico (DH) que se produce en la reaccin de formacin de un mol de un determinado compuesto a partir de los elementos en el estado fsico normal (en condiciones estndar).Se expresa como DHf0. Se trata de un calor molar, es decir, el cociente entre DH0 y el nmero de moles formados de producto. Por tanto, se mide en kJ/mol.Ejemplos:C(s) + O2(g) CO2(g) DHf0= 393,13 kJ/molH2(g) + O2(g) H2O(l)DHf0 = 285,8 kJ/molEl calor de reaccin, Qr se define como la energa absorbida por un sistema cuando los productos de una reaccin se llevan a la misma temperatura de los reactantes. Para una definicin completa de los estados termodinmicos de los productos y de los reactantes, tambin es necesario especificar la presin. Si se toma la misma presin para ambos, el calor de reaccin es igual al cambio de entalpa del sistema, DH r. En este caso podemos escribir:Qr= DHrLos calores de reaccin se calculan a partir de los calores de formacin. El calor de reaccin: es el cambio de energa que se presenta del rompimiento o formacin de enlaces qumicos. El calor de reaccin se expresa generalmente en trminos de caloras o kilocaloras (Kcal). Actualmente tambin se utiliza el joule (J) como medida de energa cuando se habla de cambios qumicos.COMBUSTINLacombustines una reaccin qumicade oxidacin, en la cual generalmente se desprende una gran cantidad de puntos en forma decaloryluz, manifestndose visualmente gracias alfuego, u otros.En toda combustin existe un elemento que arde (combustible) y otro que produce la combustin (comburente), generalmente eloxgenoen forma de O2gaseoso. Losexplosivostienen oxgeno ligado qumicamente, por lo que no necesitan el oxgeno del aire para realizar la combustin.Los tipos ms frecuentes de combustible son lasmaterias orgnicasque contienencarbonoehidrgeno. En una reaccin completa todos los elementos que forman el combustible se oxidan completamente. Los productos que se forman son eldixido de carbono(CO2) y elagua, eldixido de azufre(SO2) (si el combustible contiene azufre) y pueden aparecerxidos de nitrgeno(NOx), dependiendo de la temperatura, la cantidad de oxgeno en la reaccin y, sobre todo de la presin.En la combustin incompleta los productos que se queman pueden no reaccionar con el mayor estado de oxidacin, debido a que el comburente y el combustible no estn en la proporcin adecuada, dando como resultado compuestos como elmonxido de carbono(CO). Adems, puede generarsecarbn.El proceso de destruir materiales por combustin se conoce comoincineracin.Ecuacin qumicaCombustible + O2 H2O + CO2+ energaLacombustinse considera incompleta cuando parte delcombustibleno reacciona completamente porque eloxgenono es suficiente. Cuando una sustancia orgnica reacciona con el oxgeno de manera incompleta formando adems dedixido de carbonoyaguaotros subproductos de la combustin los cuales incluyen tambincarbn,hidrocarburosno quemados, comoCarbono, Hidrgeno ymonxido de carbono. La combustin es incompleta cuando hace falta oxgeno y no es suficiente. En altas concentraciones los resultados de la combustin pueden ser letales. Esta reaccin puede ser balanceada.

1ra EXPERIENCIA

Aplicacin:COMBUSTIN96 DE ALCOHOL*1ra observacinTiempo(s)Altura de la llama (cm)Color

5s5

Amarillo/ anaranjado/ violeta/ morado/ azul/ celeste

10s4,5

15s5

20s6

25s5

30s7

35s6,5

40s6

45s6,5

50s6,5

55s6Celeste/ morado

1min6,5

1min 5s5

1min 10s4,5

1min 15s0

*2da observacinTiempo(s)Altura de la llama (cm)Color

5s7Morado

10s7Azul/ morado

15s8

20s6

25s8Azul/ morado/ anaranjado

30s7,5

35s7,5

40s7Azul/ morado

45s6,5

50s5,5

55s7Celeste oscuro

1min6

1min 5s5Celeste bajo

1min 10s5,5

1min 15s3

1min 20s0

70 DE ALCOHOL*1ra observacinTiempoAltura de la llama (cm)Color

5s6Celeste

10s6,5Morado

15s6,5

20s6

25s5,5Azul/ morado

30s6

35s5Azul/ morado/ anaranjado

40s5

45s5

50s5

55s4,5Celeste/ morado

1min3,5

1min 5s0

Hubo residuo? S, de 0,4ml de agua.*2da experienciaTiempoAltura de la llama (cm)Color

5s5Morado

10s6Azul/ morado

15s5

20s6

25s7

30s6,5Azul/ morado/ anaranjado

35s7

40s7

45s6,5Azul/ morado

50s5

55s4,5

1min3Celeste

1min 5s3

1min 10s0

Hubo residuo? S, de 0,2 ml de agua.

CUADRO CONCLUSIVOAlcoholTiempo totalAltura ms alta - tiempoColor ms fuerte tiempoResiduo (caracterstica)

96 de alcohol1ra1min 15s7cm a los 30sAmarillo/ anaranjado/ violeta/ morado/ azul/ celeste a los 20 s

NO

2da1min 20s8cm a los 25sAzul/morado/ anaranjado a los 30sNO

70 de alcohol1ra1min 5s6,5cm a los 10sMorado/ azul/ anaranjado a los 35s0,4 ml de

2da1min 10s7cm a los 35sAzul/ morado anaranjado a los 30s0,2ml de

Conclusiones:96 de alcohol A mayor concentracin de alcohol habr una mayor combustin y ser total porque no quedar residuo. 70 de alcohol A menor grado de alcohol como es en el caso del alcohol de 70, en el trmino del proceso de la combustin quedar residuo, el cual es solo .Comparacin del alcohol de 96 y 70: La concentracin de alcohol determina la altura de la llama en ambos casos en el alcohol de 70 fue de 6,75cm y en el alcohol de 96 fue de 7.75cm.2da EXPERIENCIA

ETANOLTiempoAltura (cm)Color

5s7Morado opaco/ anaranjado/ amarillo

10s8

15s9Amarillo/ anaranjado/ celeste

20s10

25s10

30s9Anaranjado/ amarillo/ celeste claro

35s5,8

40s7

45s6,5

50s7

55s9Amarillo/ anaranjado

1min8

1min 5s8Amarillo/ anaranjado/ celeste claro/ rojo

1min 10s9

1min 15s8

1min 20s6

1min 25s8

1min 30s7Morado/ anaranjado

1min 35s6

1min 40s5

1min 45s3

1min 50s1,5Morado/ celeste

1min 55s0,2

PROPANOLTiempoAltura (cm)Color

5s9Anaranjado/ amarillo

10s11

15s12

20s13Amarillo plido/ anaranjado

25s14

30s12

35s10

40s10Morado opaco/ amarillo/ anaranjado

45s12

50s11

55s9

1min9Anaranjado/ rojo/ amarillo

1min 5s8

1min 10s6

1min 15s7Amarillo/ morado

1min 20s4

1min 25s2

1min 30s0,5Morado/ anaranjado

ECUACIN DE COMBUSTIN Etanol:

Propanol:

Butanol:

CUADRO CONCLUSIVO

AlcoholTiempo totalAltura ms alta - tiempoColor ms fuerte tiempoResiduo (caracterstica)

PROPANOL1min 55s10cm a los 25sAmarillo/ anaranjado/ celeste/ rojo al 1min 20sNO

BUTANOL1min 30s14cm a los 25sAnaranjado/ rojo/ amarillo a los 40sNO

CORRELACIN ENTRE EL NMERO DE TOMOS DE CARBONO Y LA ESTRUCTURA CON SU HAlcoholFrmulaEstructura de desarrolloH de combustin (KJ/mol)

Etanol

H H

H-C-C-O-H

H H

1368

Propanol

H H H

H-C-C-C-O-H

H H H

2021

Butanol

H H H H

H-C-C-C-C-O-H

H H H H

2671

Conclusiones:96 de alcohol A mayor concentracin de alcohol habr una mayor combustin y ser total porque no quedar residuo. Mayor intensidad en el color de la llama. Mayor degradacin de colores. 70 de alcohol A menor grado de alcohol como es en el caso del alcohol de 70, en el trmino del proceso de la combustin quedar residuo, el cual es solo .Comparacin del alcohol de 96 y 70: La concentracin de alcohol determina la altura de la llama en ambos casos en el alcohol de 70 fue de 6,75cm y en el alcohol de 96 fue de 7.75cm. A menor cantidad de nmero de carbonos mayor tiempo en que termine su combustin, como en el caso del propanol que demor 1min 55 s en comparacin que el butanol que lo hizo en 1min 30s. A mayor cantidad de carbono mayor es el valor de calor de combustin como es en el caso de butanol = 2671KJ/mol que presenta 4 carbonos en comparacin con el etanol y el propanol.COMBUSTION DEL ETANOLEletanoles uncompuesto qumicoobtenido a partir de la fermentacin de los azcares que puede utilizarse comocombustible, solo, o bien mezclado en cantidades variadas congasolina, y su uso se ha extendido principalmente para reemplazar el consumo de derivados delpetrleo.El combustible resultante de la mezcla deetanoly gasolina se conoce comogasoholo alconafta. Dos mezclas comunes sonE10yE85, con contenidos de etanol del 10% y 85%, respectivamente.El etanol tambin se utiliza cada vez ms como aadido para oxigenar la gasolina normal, reemplazando alter metil tert-butlico(MTBE). Este ltimo es responsable de una considerablecontaminacin del sueloy delagua subterrnea. Tambin puede utilizarse como combustible en lasceldas de combustible.Como fuente para la produccin de etanol en el mundo se utiliza fundamentalmentebiomasa. Este etanol es denominado, por su origen,bioetanol.Generalmente, cuanto mayor es el contenido de etanol en una mezcla de gasohol, ms baja es su conveniencia para los motores corrientes de automvil. El etanol puro reacciona o se disuelve con ciertos materiales degomayplsticosy no debe utilizarse en motores sin modificar. Adems, el etanol puro tiene unoctanajemucho ms alto (116AKI, 129RON) que la gasolina comn (86/87 AKI, 91/92 RON), requiriendo por tanto cambiar elcociente de compresino lasincronizacin de la chispapara obtener el rendimiento mximo. Cambiar un coche que utilice gasolina pura como combustible a un coche que utilice etanol puro como combustible, necesitacarburadoresycaudalesms grandes (un aumento de rea de cerca del 30-40%). El metanol requiere un aumento uniforme ms grande de rea, aproximadamente 50% ms grande.Los motores de etanol tambin necesitan un sistema dearranque en fropara asegurar la suficiente vaporizacin con temperaturas por debajo de 15C a 11C para maximizar la combustin, evitar problemas de arranque con el motor fro y para reducir al mnimo la no combustin de etanol no vaporizado. Sin embargo, una mezcla de gasolinas con un 10 a un 30% de etanol, no necesita en general ninguna modificacin del motor.La mayora de coches modernos pueden funcionar con estas mezclas sin ningn problema.Elgasohol E10, la variante ms comn, se ha introducido por todaDinamarca. En 1989, Brasil produjo 12 mil millones litros de etanol para combustible a partir de la caa de azcar, que fue utilizado para mover 9.2 millones de coches. Tambin suele estar disponible en elmedio-OestedeEstados Unidos, y es el nico tipo de gasolina que puede ser vendida en el estado deMinnesota. Las mezclas similares incluyen el E5 y el E7. Estas concentraciones son generalmente seguras para los ltimos motores de automvil, sin modificar, por lo que algunas regiones y municipios asignan por mandato los lmites en la cantidad de etanol en los combustibles vendidos. Una unidad para medir la cantidad de combustibles alternativos en EE.UU. es el galn equivalente de gasolina (GEG). En Espaa se suelen utilizar lastoneladas equivalentes de petrleo(Tep). En 2002, EE.UU. utiliz como combustible una cantidad de etanol igual a 137 petajulios (PJ); la energa de 1130 millones degalonesde EE.UU. o el equivalente a 4.280.000 m de gasolina, lo que representa menos del 1% del total de combustible usado ese ao.El trminoE85se utiliza para la mezcla de un 15% de gasolina (por volumen) y de un 85% de etanol. Esta mezcla tiene un octanaje de cerca del 105. Lo cual es sensiblemente ms bajo que el etanol puro, pero mucho mayor que el de la gasolina normal. La adicin de una pequea cantidad de gasolina ayuda a un motor convencional a arrancar al estar el motor (y el combustible) fro. El E85 no contiene siempre exactamente un 85% de etanol. Eninvierno, especialmente en climas ms fros, donde las temperaturas llegan a bajar de 11C, se agrega una mayor proporcin de gasolina con el fin de facilitar el arranque en fro,5siendo sustituido el E85 porE70enEstados Unidos67yE75enSuecia.8ETANOL COMO COMBUSTIBLE

Brasiltiene etanol como combustible disponible en todo el pas. Mostrada aqu una tpica estacin de abastecimiento dePetrobrasenSo Paulocon los dos combustibles disponibles, alcohol (etanol) marcado con A ygasolinacon la letra G.En 2007,Brasiles el segundo mayor productor de etanol como combustible del mundo. Desde hace ms de treinta aos Brasil ha desarrollado una extensa industria domstica del etanol como combustible a partir de la produccin y la refinacin de la caa de azcar. Brasil produce aproximadamente 15 millones de m de etanol por ao. Las fbricas del etanol en el Brasil mantienen unbalance energticopositivo (entre 8,3 a 10,2 veces)[citarequerida], al quemar la parte que no produce azcar de la caa.Desde2003, la mayora de losautomvilesnuevos traen incorporada la tecnologa demotor bivalente, popularmente denominados "flex" en Brasil, la cual permite a los usuarios mezclar cualquier proporcin de etanol y gasolina en el tanque, decisin que depende de los precios de mercado de cada combustible. Para agosto de 2008, la flota devehculo de combustible flexiblealcanz 6 millones de vehculos, incluyendo automviles y vehculos comerciales ligeros, representando un 23% de la flota de vehculos ligeros de Brasil.12

Ubicacin de las reas de mayor valor ambiental con respecto a las plantaciones de caa de azcar. ElEstado de So Paulo, localizado en laRegin Sudeste, concentra dos tercios de los cultivos de caa de azcar.13El xito de los vehculos "flex", en conjunto con el uso obligatorio a nivel nacional de 25% de alcohol mezclado con gasolina convencional (gasohol E25) para los vehculos de motor a gasolina,14permitieron que el consumo de etanol superase el consumo de gasolina a partir de febrero de 2008.151617Este nivel de consumo de etanol como combustible no haba sido alcanzado desde el final de la dcada de los ochenta, cuando el ProgramaPr-lcoolestaba en su mayor auge.151817Al considerar el consumo total de combustible de toda la flota (inlcuyendo los vehculos con motordiesel), el consumo de etanol destilado de la caa de azcar en 2006 fue del 18% del consumo total de combustible del sector vial.1920Para algunos, Brasil es considerado como la primera economa que logr un usosostenibledel etanol, y el modelo a seguir por otros pases.21Comparado con el etanol producido enEstados Unidoscon base en elmaz, la productividad del insumo energtico en Brasil es ocho veces mayor que la estadounidense, y la productividad por hectrea es casi el doble: mientras en Estados Unidos se producen entre 3.800 a 4.000 litros de etanol por hectrea plantada de maz, en Brasil se producen entre 6.800 y 8.000 litros por hectrea plantada de caa de azcar.2223En 2006 Brasil destin solo 1% de su rea cultivable para producir el etanol, mientras que Estados Unidos destin un 3,7% del total de tierras cultivables. Las reas donde se cultiva la caa de azcar se concentran el estado deSo Paulo, a poco ms de 2.500 km de laselva amaznica.24El programa para etanol como combustible de Colombia comenz en2002, ao en que el gobierno aprob una ley que obligaba alenriquecimiento en oxgenode la gasolina. Esto se hizo inicialmente para reducir las emisiones demonxido de carbonode los coches. Regulaciones ms recientes eximieron al etanol elaborado a partir debiomasade algunos impuestos que gravan la gasolina, haciendo as ms barato el etanol que la gasolina. Esta tendencia se vio reforzada cuando los precios del petrleo subieron a principios de2004, y con l el inters en combustibles renovables (al menos para los coches). En Colombia el precio de la gasolina y del etanol es controlado por el gobierno. Complementariamente a este programa para el etanol, existe un programa para el biodiesel, para oxigenar combustible disel, y para producir un combustible renovable a partir del aceite vegetal.Al principio todo el inters en la produccin del etanol vino de la industria de azcar existente, ya que es relativamente fcil aadir un mdulo para desarrollar etanol al final de una fbrica de azcar, y las necesidades energticas son similares a las que se necesitaran para producir el azcar. El gobierno alienta a convertir gradualmente las fuentes de combustible de los coches a una mezcla del 10 por ciento de etanol y de 90 por ciento de gasolina. Las plantas del etanol estn siendo incentivadas por tratos fiscales. Ha habido inters en plantas de etanol deyuca(mandioca) y de nuevas plantaciones de la caa de azcar, pero an no se ha conseguido producir carbohidratos a bajo precio.La primera planta de etanol para uso como combustible en Colombia comenz a producir en octubre de 2005, con la salida de 300.000 litros al da enCauca. Hasta marzo de 2006 cinco plantas, todas en el valle del Ro Cauca (departamentos de Valle, Cauca y Risaralda), estn operativas, con una capacidad combinada de 1.050.000 litros por da, o de 357 millones de litros por ao. En el Valle del Cauca el azcar se cosecha durante todo el ao, y las destileras nuevas tienen una disponibilidad muy alta. La inversin total en estas plantas es de 100 millones de USD. Eventualmente, Colombia espera tener una capacidad de 2.500.000 litros por el da, que es la cantidad necesaria para agregar el 10% de etanol a la gasolina. El etanol producido se utiliza actualmente en las principales ciudades cerca del Valle del Cauca, tales comoCaliyPereira, como tambin en la capital,Bogot. No hay suficiente produccin para el resto del pas.El 31 de marzo de 2009 el gobierno colombiano decret la introduccin paulatina devehculos de combustible flexibleE85. La regulacin aplica a todos los vehculos con motor a gasolina con cilindrida inferior a 2 litros que se fabriquen, ensamblen, importen, distribuyan y comercialicen en el pas a partir del 1 de enero de 2012. El decreto ejecutivo establece que el 60% de tales vehculos debern tener motores "flex-fuel" capaces de operar con gasolina o E85, o cualquier mezcla de ambos. En 2014 la provisin anual sube para 80% y alcanza el 100% en 2016. Todos los vehculos con cilindrada superior a 2 litros debern soportar E85 a partir de 2013. El decreto tambin ordena que en 2011 la infraestructura de la cadena de distribucin y venta al consumidor de gasolina deber adaptarse para garantizar la venta de E85 en todo el pas.La introduccin obligatoria de los vehculos flex-fuel E85 caus controversia entre los fabricantes y vendedores de autos, as como de algunos productores que reclamaron que la industria no est en capacidad de suplir suficiente etanol para la nueva flota E85. En decreto anterior de 2007 lo que estaba previsto para 2012 era la introduccin degasohol E20. Estados Unidoses el mayor productor mundial de etanol, con 4,86 mil millones degalones lquidosproducidos en 2006, seguido porBrasilcon una produccin de 4,49 mil millones de galones.EE.UU. junto con Brasil destlilan 70% de la produccin mundial de etanol, y en 2007 produjeron el 88% del etanol utilizado como combustible en el mundo.Casi la totalidad del etanol estadounidense es producido a partir demaz, que es menos eficiente que el etanol producido a partir decaa de azcar. Adems, en 2007 un 25% de la produccin nacional demazfue desvidada para producir etanol como combustible, lo que ha sido crticado y considerado como uno de los factores que influyeron en lacrisis alimentaria mundial de 2007 a 2008, cambiando alimentos por combustibles.

Importaciones de etanol combustiblea EE.UU. por pas de origen (2002-2007)10(Millones degalones lquidos)

Pas2007*2006200520042003

Brasil188.8433.731.290.30

Jamaica75.266.836.336.639.3

El Salvador73.338.523.75.76.9

Trinidad y Tobago42.724.810.000

Costa Rica39.335.933.425.414.7

*Nota: Los datos de 2007 corresponden al acumulado hasta noviembre.

PROPANOL COMO COMBUSTIBLEEl principal uso del propano es el aprovechamiento energtico comocombustible. Con base al punto de ebullicin ms bajo que elbutanoy el mayor valor energtico por gramo, a veces se mezcla con ste o se utiliza propano en vez de butano. En la industria qumica es uno de los productos de partida en la sntesis delpropeno. Adems se utiliza como gas refrigerante (R290) o como gas propulsor en aerosoles.

Escuela profesional de ingeniera de minas 9