Termodinamica - Yunes Cengel y Michael Boles - Septima Edicion

827
CAPÍTULO 16
ciones K P necesarias para determinar el equilibrio de la composición de una
mezcla reactiva es igual al número de especies químicas, menos el número
de elementos en equilibrio presentes. Para una mezcla en equilibrio que consista
de CO 2 , CO, O 2 y O, por ejemplo, son necesarias dos relaciones de K P
para determinar la composición de equilibrio puesto que ésta involucra cuatro
especies químicas y dos elementos (Fig. 16-14).
La determinación de la composición de equilibrio de una mezcla reactiva en
presencia de dos reacciones simultáneas se presenta con el ejemplo que sigue.
Composición: CO 2 , CO, O 2 , O
Núm. de componentes: 4
Núm. de elementos: 2
Núm. de relaciones de K p
necesarias: 4 – 2 = 2
EJEMPLO 16-5 Composición de equilibrio para reacciones
simultáneas
Una mezcla de 1 kmol de H 2 O y 2 kmol de O 2 se calienta a 4 000 K bajo una
presión de 1 atm. Determine la composición de equilibrio de esta mezcla,
suponiendo que solamente se encuentran presentes H 2 O, OH, O 2 y H 2 (Fig.
16-15).
FIGURA 16-14
El número de relaciones de K P necesarias
para determinar la composición de
equilibrio de una mezcla reactiva es la
diferencia entre el número de componentes
(especies) y el número de elementos.
Solución Una mezcla de gases se calienta a una temperatura y presión especificadas.
Se determinará la composición de equilibrio.
Suposiciones 1 La composición de equilibrio consiste de H 2 O, OH, O 2 y H 2 .
2 Los componentes de la mezcla son gases ideales.
Análisis La reacción química durante este proceso puede expresarse como
H 2 O 2O 2 ¡ xH 2 O yH 2 zO 2 wOH
Los balances de masa del hidrógeno y el oxígeno son
Balance H: 2 2x 2y w
(1)
Balance O: 5 x 2z w
(2)
Los balances de masa proporcionan solamente dos ecuaciones con cuatro
incógnitas, y por lo tanto, es necesario tener dos ecuaciones más (que se
obtendrán a partir de las relaciones de K P ) para determinar la composición de
equilibrio de la mezcla. Aparentemente, parte del H 2 O en los productos se
disocia en H 2 y OH durante este proceso, de acuerdo con las reacciones estequiométricas
Composición
Composición
de equilibrio a
inicial
4 000 K, 1 atm
1 kmol H 2 O
x H 2 O
y H
2 kmol O 2
2 z O 2
w OH
FIGURA 16-15
Esquema para el ejemplo 16-5.
H 2 O Δ H 2 1 2 O 2 1reacción 12
H 2 O Δ 1 2 H 2 OH1reacción 22
Las constantes de equilibrio para estas dos reacciones a 4 000 K se determinan
con la ayuda de la tabla A-28, y son
ln
K P1
0.542 ¡ K P1
0.5816
ln
K P2
0.044 ¡ K P2
0.9570
Las relaciones K P para estas dos reacciones simultáneas son
K P1
K P2
n
N
H2
n
H2
N
O2
O2
n H2O
a P n H2
n O2
n H2O
b
N total
N H2 O
n
N
H2
n
H2
N OH
OH
n H2O
a P n H2
n OH n H2O
b
N total
N H2 O
donde
N total N H2 O N H2
N O2
N OH x y z w