Termodinamica - Cengel 7th - espanhol

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EQUILIBRIO QUÍMICO Y DE FASE
CO 2 CO 2
CO
O 2
CO
O 2
O 2
CO
CO 2
16-1 ■ CRITERIO PARA EL EQUILIBRIO QUÍMICO
Considere una cámara de reacción que contenga una mezcla de CO, O 2 y CO 2
a una temperatura y presión especificadas. Trate de predecir lo que sucederá
en dicha cámara (Fig. 16-1). Quizá la primera idea que venga a la mente sea
una reacción química entre el CO y el O 2 para formar más CO 2 :
FIGURA 16-1
Una cámara de reacción que contiene
una mezcla de CO 2 , CO y O 2 a una
temperatura y presión especificadas.
S
dS > 0
dS = 0
Violación de la
segunda ley
dS < 0
CO 1 2 O 2 S CO 2
Esta reacción es, ciertamente, una posibilidad, sin embargo, no es la única.
También puede suceder que parte del CO 2 en la cámara de combustión se
disocie en CO y O 2 . Aun podría existir una tercera posibilidad que fuera no
tener reacciones entre los tres componentes, esto es, que el sistema estuviera
en equilibrio químico. Es aparente que, aunque se conocen la temperatura, la
presión y la composición (y por ende el estado) del sistema, estamos incapacitados
para predecir si el sistema se encuentra en equilibrio químico. En este
capítulo se desarrollan las herramientas necesarias para solucionar lo anterior.
Suponga que la mezcla de CO, O 2 y CO 2 mencionada antes se encuentra en
equilibrio químico a una temperatura y presión especificadas. La composición
química de la mezcla no cambia a menos que la temperatura y presión de la
mezcla cambien. Esto es, una mezcla reactiva —en general— tiene diferentes
composiciones de equilibrio a presiones y temperaturas distintas. Por lo tanto,
cuando se desarrolla un criterio general para el equilibrio químico, se considera
un sistema reactivo bajo una presión y temperatura establecidas.
Tomando la dirección positiva de la transferencia de calor hacia el sistema,
el principio del incremento de la entropía para un sistema reactivo o no reactivo
se expresó en el capítulo 7 como
100% de
reactivos
Composición
de equilibrio
100% de
productos
dS sis dQ T
(16-1)
FIGURA 16-2
Criterio de equilibrio de una reacción
química que se lleva a cabo adiabáticamente.
δ Q
Cámara de
reacción
Masa de
control
T, P
δ
W b
FIGURA 16-3
Una masa de control experimenta una
reacción química a una temperatura y
presión específicas.
Un sistema y sus alrededores forman un sistema adiabático y, para dichos sistemas,
la ecuación 16-1 se reduce a dS sis 0. Esto es, una reacción química
en una cámara adiabática se lleva a cabo en la dirección donde la entropía
aumenta. Cuando la entropía alcanza un valor máximo, la reacción se detiene
(Fig. 16-2). Por lo tanto, la entropía es una propiedad muy útil en el análisis
de sistemas adiabáticos reactivos.
Sin embargo, cuando un sistema reactivo involucra una transferencia de
calor, el uso de la ecuación del principio de incremento de entropía (Ec. 16-1)
resulta impráctico, puesto que éste requiere de un conocimiento de la transferencia
térmica entre el sistema y sus alrededores. Un método más práctico
sería desarrollar una relación para el criterio de equilibrio en términos de las
propiedades de los sistemas reactivos solamente. Dicha relación se desarrolla
a continuación.
Considere un sistema simple compresible reactivo (o no reactivo) con una
masa constante con modos de trabajo en cuasiequilibrio solamente a una temperatura
T y una presión P especificadas (Fig. 16-3). Combinando las ecuaciones
de la primera y la segunda ley para este sistema se obtiene
dQ P dV dU
dQ
dS
T
dU P dV T ds 0 (16-2)