Práctica para el examen FE Chemical: pack de repaso

Hojas de fórmulas, los pasos clave de los métodos de cada tema y 24 problemas de práctica, con las soluciones completas al final.

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1Fórmulas y métodos

Balance de materia

Estado estacionario
entrada = salida
Balance total
ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
Balance por componente
ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
Evaporador
F·xF = P·xP, W = F − P

Balance de energía

Calor sensible
Q = ṁ·cp·ΔT
Calor latente
Q = ṁ·hfg
Mezcla
ΣṁcpTin = ΣṁcpTout
Agua
cp ≈ 4,18 kJ/(kg·K)

Ley de los gases ideales

Ley de los gases ideales
pV = nRT
Constante de los gases
R = 8,314 J/(mol·K)
Ley combinada de los gases
p1V1/T1 = p2V2/T2
Moles
n = m/M
Temperatura
T[K] = T[°C] + 273,15

Estequiometría

Moles
n = m/M
Concentración
c = n/V
Relación molar
usa los coeficientes de la ecuación ajustada
Reactivo limitante
el que se agota primero
Rendimiento porcentual
real / teórico × 100%

Método

  1. Escribe y ajusta la ecuación química.
  2. Pasa la masa dada a moles: n = m/M.
  3. Usa los coeficientes como relación molar para hallar los moles de la sustancia que buscas.
  4. Vuelve a pasar a masa con m = n·M. Con dos reactivos, halla primero el reactivo limitante.

Equilibrio químico

Constante de equilibrio
Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)
Tabla ICE
Inicial, Cambio (×coeficiente), Equilibrio
Ecuación de segundo grado
x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)

Método

  1. Escribe Kc con productos entre reactivos, cada uno elevado a su coeficiente.
  2. Plantea una tabla ICE: Inicial, Cambio (en múltiplos de x por los coeficientes), Equilibrio.
  3. Sustituye las expresiones de equilibrio en Kc y despeja x.
  4. Comprueba si x es lo bastante pequeño para aproximar; si no, resuelve la ecuación de segundo grado.

Calorimetría y entalpía

Calor
q = m·c·ΔT
Agua
c = 4,18 J/(g·°C)
Calorímetro
calor cedido = calor absorbido
Entalpía de reacción
ΔH° = ΣΔH°f(products) − ΣΔH°f(reactants)

Cinética química

Primer orden
ln(CA/CA0) = −kt
Vida media (primer orden)
t½ = ln 2/k
Segundo orden
1/CA = 1/CA0 + kt
Arrhenius
k = A·e−Ea/(RT)
Dos temperaturas
ln(k2/k1) = (Ea/R)(1/T1 − 1/T2)

Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Tiempo espacial
τ = V/Q
CSTR, primer orden
τ = X/(k·(1 − X)), CA = CA0/(1 + kτ)
PFR, primer orden
τ = ln(1/(1 − X))/k, CA = CA0·e−kτ
Conversión a partir del volumen
CSTR: X = kτ/(1 + kτ), PFR: X = 1 − e−kτ
N CSTR iguales en serie
X = 1 − 1/(1 + kτi)N

Intercambiadores de calor (DTML)

Potencia térmica
Q = U·A·ΔTlm
Diferencia de temperatura media logarítmica
ΔTlm = (ΔT1 − ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)
Balance de una corriente
Q = ṁcp(Tin − Tout)

Conducción de calor

Ley de Fourier
Q̇ = kAΔT/L
Resistencia de conducción
R = L/(kA)
Resistencia de convección
R = 1/(hA)
Resistencias en serie
Q̇ = ΔTtotal/ΣR
Transmitancia U
U = 1/(ΣR·A)

Fricción en tuberías y pérdida de carga

Número de Reynolds
Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
Régimen de flujo
laminar por debajo de Re ≈ 2000, turbulento por encima de Re ≈ 4000
Velocidad media
V = Q/A, A = π·D²/4
Darcy–Weisbach
hf = f·(L/D)·V²/(2g)
Pérdidas localizadas
hm = ΣK·V²/(2g)
Valores típicos de K
entrada 0,5, salida 1,0, codo de 90° ≈ 0,3
Caída de presión
Δp = ρ·g·hf
Dos depósitos abiertos
Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Salida libre
H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Bombas y potencia de bombeo

Potencia hidráulica
Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Potencia en el eje
Pshaft = Ph/ηpump
Potencia eléctrica
Pel = Pshaft/ηmotor
Altura de la bomba
H = Δz + Δp/(ρ·g) + hL
Pérdidas del sistema
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

2Problemas de práctica

1.Balance de materiaMedia
MezcladorCorriente 1300 kg/h · 40% azúcarCorriente 2ṁ₂ = ? · 20% azúcarProducto30% azúcar

¿Cuánto de la corriente 2 hay que añadir cada hora a la corriente 1 para que la mezcla contenga un 30 % de azúcar? Halla ṁ2.

ṁ1 = 300 kg/hx1 = 40 %x2 = 20 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.Balance de materiaDifícil
EvaporadorAlimentación F1700 kg/h · 11% salProducto PP = ? · 50%Vapor W (agua pura)0% sal

Un evaporador concentra una disolución de sal evaporando agua pura. Halla el caudal de producto P en kg/h.

F = 1700 kg/hxF = 11 %xP = 50 %
P = kg/h
3.Balance de energíaMedia
lado calientelado fríoetanol · 160 °C100 °Cagua · 30 °Ct = ? °C

etanol caliente enfría agua en un intercambiador a contracorriente sin pérdidas de calor. Halla la temperatura de salida del agua tout.

ṁh = 2 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 160 → 100 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 30 °C
tout = °C
4.Balance de energíaDifícil
lado calientelado fríoetanol · 140 °C60 °Cagua · 10 °C70 °C · ṁ = ?10 % perdido

etanol caliente calienta agua en un intercambiador que pierde hacia el entorno el 10 % del calor cedido por la corriente caliente. Halla el caudal de agua ṁc necesario.

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 140 → 60 °Ct: 10 → 70 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 10 %
ṁc = kg/s
5.Ley de los gases idealesMedia
420 g de ArV = 30 LT = 80 °CP = ?

Un depósito de 30 L contiene 420 g de Ar a 80 °C. Trátalo como un gas ideal y halla la presión P.

m = 420 gM = 39,95 g/molV = 30 LT = 80 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Ley de los gases idealesDifícil
CO₂, M = 44,01 g/molP = 850 kPaT = 120 °Cρ = ?

Halla la densidad ρ de CO₂ a 850 kPa y 120 °C, tratándolo como un gas ideal.

M = 44,01 g/molP = 850 kPaT = 120 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.EstequiometríaMedia
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 2/ν× M(H2​O)

12 g de H2 y 20 g de O2 reaccionan según 2H2 + O2 → 2H2O. ¿Qué masa m de H2O se puede formar?

M(H2) = 2,016M(O2) = 32M(H2O) = 18,02 g/mol
m = g
8.EstequiometríaDifícil
m(CH4​)n(CH4​)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(CH4​)× 2/1× M(H2​O)

En la reacción CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O, 10 g de CH4 reaccionan por completo (los demás reactivos en exceso) y se recogen 15,73 g de H2O. Calcula el rendimiento porcentual Y.

M(CH4) = 16,04 g/molM(H2O) = 18,02 g/molreal: 15,73 g
Y = %
9.Equilibrio químicoMedia
H2​I2​HII0,50,50C−x−x+2xE0,5 − x0,5 − x2x

Se introducen 0,5 mol/L de H₂ y 0,5 mol/L de I₂ en un recipiente y reaccionan: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, con Kc = 49. Calcula la concentración en el equilibrio [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,5 mol/LKc = 49
[H2] = mol/L
10.Equilibrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I0,500C−x+x+xE0,5 − xxx

El PCl₅ se descompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,02 a la temperatura de reacción. Un recipiente contiene al principio solo 0,5 mol/L de PCl₅. Calcula la concentración en el equilibrio [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,5 mol/LKc = 0,02
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetría y entalpíaMedia
Tf​ = ?Cincm = 75 gT = 120 °Cc = 0,388 J/(g·°C)Aguam = 250 gT = 15 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un bloque de cinc de 75 g (c = 0,388 J/(g·°C)) a 120 °C se introduce en 250 g de agua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 15 °C dentro de un vaso aislado. Halla la temperatura final Tf.

mmetal = 75 gcmetal = 0,388 J/(g·°C)Tmetal = 120 °Cmwater = 250 gTwater = 15 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetría y entalpíaDifícil
H250 g C3​H8​C3​H8​ + 5O₂reactivos3CO₂ + 4H₂O(l)productosq = ?

Usa las entalpías estándar de formación para calcular el calor q desprendido cuando 250 g de C3H8 (M = 44,1 g/mol) se queman por completo: C3H8 + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O(l). Da q como número positivo.

ΔH°f(C3H8) = −103,8 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0
q = kJ
13.Cinética químicaMedia
t (min)C (mol/L)20 minC = ?

Una reacción con ley de velocidad −rA = k·CA² tiene k = 0,05 L/(mol·min) y empieza con 1,5 mol/L. Halla la concentración CA tras 20 min.

k = 0,05 L/(mol·min)CA0 = 1,5 mol/Lt = 20 min
CA = mol/L
14.Cinética químicaDifícil
1/Tln kT = 100 °Cln 0,05ln A = ?Ea​ = 40 kJ/mol

Una reacción de primer orden tiene una constante de velocidad de 0,05 s⁻¹ a 100 °C y una energía de activación de 40 kJ/mol. Halla el factor preexponencial A de la ecuación de Arrhenius.

k = 0,05 s⁻¹T = 100 °CEa = 40 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
A = s⁻¹
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Media
Q = 80 L/minCA0​ = 0,5 mol/LCA​ = ?V = 200 L, k = 0,5 min⁻¹

Una reacción de primer orden en fase líquida A → B (k = 0,5 min⁻¹) se lleva a cabo en un reactor de flujo pistón (PFR) de 200 L. La alimentación entra a 80 L/min con CA0 = 0,5 mol/L. La densidad es constante y el reactor está en estado estacionario. Halla la concentración de salida CA.

V = 200 LQ = 80 L/mink = 0,5 min⁻¹CA0 = 0,5 mol/L
CA = mol/L
16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Difícil
V = 150 LQ = 20 L/minX = ?

Una reacción de primer orden en fase líquida (k = 0,08 min⁻¹) se lleva a cabo en un CSTR de 150 L alimentado a 20 L/min. La densidad es constante y el reactor está en estado estacionario. Halla la conversión X en porcentaje.

V = 150 LQ = 20 L/mink = 0,08 min⁻¹
X = %
17.Intercambiadores de calor (DTML)Media
longitudT170 °C45 °C135 °C20 °CΔT₁ΔT₂contracorriente

Un intercambiador a contracorriente transfiere 60 kW. El fluido caliente se enfría de 170 a 45 °C y el frío se calienta de 20 a 135 °C. El coeficiente global de transmisión es 1000 W/(m²·K). Halla el área de intercambio A necesaria.

Q̇ = 60 kWU = 1000 W/(m²·K)Th: 170 → 45 °CTc: 20 → 135 °C
A = m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)Difícil
longitudT100 °C20 °C?ΔT₁ΔT₂vapor que condensa

En un condensador con un área de intercambio de 2 m² y U = 3000 W/(m²·K), el vapor condensa a 100 °C constantes en el exterior de los tubos. El agua de refrigeración (1 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) entra en los tubos a 20 °C. Halla la temperatura de salida del agua Tc,out.

Ts = 100 °CA = 2 m²U = 3000 W/(m²·K)ṁ = 1 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 20 °C
Tc,out = °C
19.Conducción de calorMedia
Poliestireno expandido, k = 0,035150 mmMadera, k = 0,17100 mm17 °C-6 °CTi​ = ?Q̇

Un muro está formado por 150 mm de poliestireno expandido y 100 mm de madera, con un área de 6 m². Las caras exteriores están a 17 °C y -6 °C. Halla la temperatura Ti en la interfaz entre las dos capas.

L1 = 150 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 6 m²T1 = 17 °CT3 = -6 °C
Ti = °C
20.Conducción de calorDifícil
Hormigón, k = 1,4250 mmPlaca de yeso, k = 0,17100 mminterior 20 °Cexterior -6 °CQ̇

Un muro de 250 mm de hormigón y 100 mm de placa de yeso separa una habitación a 20 °C del aire exterior a -6 °C. Los coeficientes de convección son 7,7 W/(m²·K) dentro y 25 W/(m²·K) fuera, y el área del muro es 10 m². Halla el coeficiente global de transmisión de calor U del muro.

L1 = 250 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 10 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -6 °C
U = W/(m²·K)
21.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
V = 2,2 m/sD = 150 mmL = 50 mf = 0,028

Agua circula con una velocidad media de 2,2 m/s por una tubería de 50 m de longitud y 150 mm de diámetro interior. Usa el factor de fricción de Darcy f = 0,028 y g = 9,81 m/s². Halla la pérdida de carga por fricción hf.

V = 2,2 m/sL = 50 mD = 150 mmf = 0,028g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 10Δz = ?L = 150 m, D = 150 mm, f = 0,0154× codo (K = 0,3)

Dos depósitos abiertos están unidos por una tubería de 150 m de longitud, 150 mm de diámetro interior y factor de fricción de Darcy f = 0,015. Las pérdidas localizadas son una entrada de arista viva (K = 0,5), 4 codos (K = 0,3 cada uno), una válvula (K = 10) y la salida al depósito inferior (K = 1,0). Usa g = 9,81 m/s². ¿Qué diferencia de nivel de agua Δz entre los depósitos da un caudal de 50 L/s?

Q = 50 L/sL = 150 mD = 150 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 10Kexit = 1,0
Δz = m
23.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 25 L/sH = 34 m

En un ensayo, una bomba impulsa 25 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 34 m mientras su eje absorbe 11,6 kW. Usa g = 9,81 m/s². Halla el rendimiento de la bomba η en porcentaje.

Q = 25 L/sH = 34 mPshaft = 11,6 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Bombas y potencia de bombeoDifícil
PQ = 50 L/sΔz = 15 mL = 500 m, D = 150 mm, f = 0,022, ΣK = 8

Una bomba impulsa 50 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) desde un depósito inferior abierto hasta un depósito superior cuya superficie libre está 15 m más alta. La tubería mide 500 m de longitud, tiene 150 mm de diámetro interior y un factor de fricción de Darcy f = 0,022; los coeficientes de pérdidas localizadas suman ΣK = 8 (entrada y salida incluidas). Usa g = 9,81 m/s². Halla la altura H que debe añadir la bomba.

Q = 50 L/sΔz = 15 mL = 500 mD = 150 mmf = 0,022ΣK = 8
H = m

3Disoluciones

1.Balance de materia

Respuesta: ṁ2 = 300 kg/h

Balance de materia en estado estacionario: entrada = salida para el total y para cada componente. Los problemas de mezcla combinan ambos.

Balances

Total: ṁ3 = ṁ1 + ṁ2
azúcar: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Despeja ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 300·(40 − 30)/(30 − 20) = 300 kg/h

Respuesta

ṁ2 = 300 kg/h
2.Balance de materia

Respuesta: P = 374 kg/h

Componente de enlace: un componente que pasa sin cambios por una sola corriente (aquí el soluto) relaciona los caudales directamente. Después el balance total da el resto.

Balance de soluto

F·xF = P·xP → P = 1700·11/50 = 374 kg/h

Respuesta

P = 374 kg/h
3.Balance de energía

Respuesta: tout = 76,7 °C

Balance de energía del intercambiador: sin pérdidas, ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).

Calor cedido por la corriente caliente

Q = 2·2,44·(160 − 100) = 292,8 kW

Calor que recibe el agua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 30 + 292,8/(1,5·4,18) = 76,7 °C

Respuesta

tout = 76,7 °C
4.Balance de energía

Respuesta: ṁc = 0,3502 kg/s

Balance de energía con pérdidas: calor cedido = calor absorbido + calor perdido.

Calor cedido

Qh = 0,5·2,44·(140 − 60) = 97,6 kW

Calor que llega al agua

Qc = (1 − 0,1)·97,6 = 87,84 kW

Caudal de agua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 87,84/(4,18·60) = 0,3502 kg/s

Respuesta

ṁc = 0,3502 kg/s
5.Ley de los gases ideales

Respuesta: P = 1029 kPa

Ley de los gases ideales: PV = nRT, con n = m/M.

Moles

n = m/M = 420/39,95 = 10,51 mol
T = 80 + 273,15 = 353,1 K

Presión

P = nRT/V = 10,51·8,314·353,1/0,03 = 1029 kPa

Respuesta

P = 1029 kPa
6.Ley de los gases ideales

Respuesta: ρ = 11,44 kg/m³

Densidad de un gas ideal: ρ = PM/(RT).

Reordena la ley de los gases

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 120 + 273,15 = 393,1 K

Densidad

ρ = 850·44,01/(8,314·393,1) = 11,44 kg/m³

Respuesta

ρ = 11,44 kg/m³
7.Estequiometría

Respuesta: m = 22,52 g

Estequiometría: una ecuación ajustada cuenta partículas, no gramos. Pasa la masa a moles con n = m/M, usa los coeficientes de la ecuación como relación molar y vuelve a masa con m = n·M. Con dos reactivos, el reactivo limitante es el que se agota primero y fija cuánto producto se forma.

Moles de cada reactivo

n(H2) = 12/2,016 = 5,952 mol
n(O2) = 20/32 = 0,625 mol

Reactivo limitante

5,952/2 = 2,976, 0,625/1 = 0,625 → O2

Masa de producto

n(H2O) = 0,625·2 = 1,25 mol
m = 1,25·18,02 = 22,52 g

Respuesta

m = 22,52 g
8.Estequiometría

Respuesta: Y = 70,01 %

Estequiometría: una ecuación ajustada cuenta partículas, no gramos. Pasa la masa a moles con n = m/M, usa los coeficientes de la ecuación como relación molar y vuelve a masa con m = n·M. Con dos reactivos, el reactivo limitante es el que se agota primero y fija cuánto producto se forma.

Rendimiento teórico

n(CH4) = 10/16,04 = 0,6234 mol
m = 0,6234·2/1·18,02 = 22,47 g

Rendimiento porcentual

Y = 15,73/22,47·100 = 70,01%

Respuesta

Y = 70,01%
9.Equilibrio químico

Respuesta: [H2] = 0,1111 mol/L

Equilibrio químico: para aA + bB ⇌ cC + dD, la constante de equilibrio es Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b), con las concentraciones en el equilibrio. Una tabla ICE (Inicial, Cambio, Equilibrio) relaciona las cantidades iniciales con las de equilibrio mediante una única incógnita x, multiplicada por los coeficientes.

Expresión de equilibrio

49 = (2x)²/(0,5 − x)²

Saca la raíz cuadrada

7 = 2x/(0,5 − x) → x = 0,5·7/(2 + 7) = 0,3889 mol/L

Concentración en el equilibrio

[H₂] = 0,5 − x = 0,1111 mol/L

Respuesta

[H2] = 0,1111 mol/L
10.Equilibrio químico

Respuesta: [Cl2] = 0,0905 mol/L

Equilibrio químico: para aA + bB ⇌ cC + dD, la constante de equilibrio es Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b), con las concentraciones en el equilibrio. Una tabla ICE (Inicial, Cambio, Equilibrio) relaciona las cantidades iniciales con las de equilibrio mediante una única incógnita x, multiplicada por los coeficientes.

Expresión de equilibrio

0,02 = x²/(0,5 − x) → x² + 0,02·x − 0,01 = 0

Resuelve la ecuación de segundo grado

x = (−0,02 + √(0,02² + 4·0,01))/2 = 0,0905 mol/L

Concentración en el equilibrio

[Cl₂] = x = 0,0905 mol/L

Respuesta

[Cl2] = 0,0905 mol/L
11.Calorimetría y entalpía

Respuesta: Tf = 17,84 °C

Calor y entalpía: calentar una sustancia requiere q = m·c·ΔT. En un calorímetro, el calor cedido por el cuerpo caliente es igual al calor absorbido por el frío. La variación de entalpía de una reacción se obtiene de las entalpías de formación: ΔH° = ΣΔH°f(productos) − ΣΔH°f(reactivos), cada una multiplicada por su coeficiente.

Balance de calor

75·0,388·(120 − Tf) = 250·4,18·(Tf − 15)

Despeja la temperatura final

Tf = (29,1·120 + 1045·15)/(29,1 + 1045) = 17,84 °C

Respuesta

Tf = 17,84 °C
12.Calorimetría y entalpía

Respuesta: q = 12584 kJ

Calor y entalpía: calentar una sustancia requiere q = m·c·ΔT. En un calorímetro, el calor cedido por el cuerpo caliente es igual al calor absorbido por el frío. La variación de entalpía de una reacción se obtiene de las entalpías de formación: ΔH° = ΣΔH°f(productos) − ΣΔH°f(reactivos), cada una multiplicada por su coeficiente.

Entalpía de reacción

ΔH° = [3·(−393,5) + 4·(−285,8)] − [1·(−103,8) + 5·0] = −2220 kJ

Calor para la masa dada

n = 250/44,1 = 5,669 mol
q = n·|ΔH°/1| = 5,669·2220 = 12584 kJ

Respuesta

q = 12584 kJ
13.Cinética química

Respuesta: CA = 0,6 mol/L

Velocidad de reacción: en una reacción de primer orden −dC/dt = kC, así que C = C₀·e−kt y la vida media ln 2/k no depende de la concentración. En una reacción de segundo orden 1/C = 1/C₀ + kt. La constante de velocidad aumenta con la temperatura según Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

Ley integrada de segundo orden

1/CA = 1/CA0 + kt = 0,6667 + 0,05·20 = 1,667 L/mol
CA = 1/1,667 = 0,6 mol/L

Respuesta

CA = 0,6 mol/L
14.Cinética química

Respuesta: A = 19883 s⁻¹

Reaction rates: for a first-order reaction −dC/dt = kC, so C = C₀·e−kt and the half-life ln 2/k does not depend on concentration. For a second-order reaction 1/C = 1/C₀ + kt. The rate constant rises with temperature following Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

Temperatura absoluta

T = 100 + 273,15 = 373,1 K

Despeja A de la ecuación de Arrhenius

Ea/(RT) = 40000/(8,314·373,1) = 12,89
A = k·e12,89 = 0,05·3,977 × 10⁵ = 19883 s⁻¹

Respuesta

A = 19883 s⁻¹
15.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: CA = 0,1433 mol/L

Reactores ideales, reacción de primer orden (−rA = k·CA) en estado estacionario, con tiempo espacial τ = V/Q. Un CSTR está perfectamente mezclado, así que todo el volumen reacciona a la baja concentración de salida: τ = X/(k·(1 − X)) y CA = CA0/(1 + k·τ). En un PFR cada rebanada de fluido reacciona como un pequeño reactor discontinuo: τ = ln(1/(1 − X))/k y CA = CA0·e−k·τ. Para la misma conversión un CSTR siempre necesita más volumen que un PFR.

Tiempo espacial

τ = V/Q = 200/80 = 2,5 min

Concentración de salida

CA = 0,5·e−0,5·2,5 = 0,1433 mol/L

Respuesta

CA = 0,1433 mol/L

Conversión: X = 71,35%.

16.Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)

Respuesta: X = 37,5 %

Reactores ideales, reacción de primer orden (−rA = k·CA) en estado estacionario, con tiempo espacial τ = V/Q. Un CSTR está perfectamente mezclado, así que todo el volumen reacciona a la baja concentración de salida: τ = X/(k·(1 − X)) y CA = CA0/(1 + k·τ). En un PFR cada rebanada de fluido reacciona como un pequeño reactor discontinuo: τ = ln(1/(1 − X))/k y CA = CA0·e−k·τ. Para la misma conversión un CSTR siempre necesita más volumen que un PFR.

Tiempo espacial

τ = V/Q = 150/20 = 7,5 min, kτ = 0,08·7,5 = 0,6

Conversión

X = kτ/(1 + kτ) = 0,6/(1 + 0,6) = 37,5%

Respuesta

X = 37,5%
17.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: A = 2,019 m²

Método de la DTML: la diferencia de temperatura entre las corrientes cambia a lo largo del intercambiador, así que la ecuación usa su media logarítmica: Q̇ = U·A·ΔTlm, con ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), donde ΔT₁ y ΔT₂ son las diferencias en los dos extremos. A contracorriente se obtiene una ΔTlm mayor que en flujo paralelo con las mismas temperaturas de entrada y salida.

Diferencias de temperatura en los extremos

A contracorriente, la entrada caliente queda frente a la salida fría, y la salida caliente frente a la entrada fría.

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 170 − 135 = 35 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 45 − 20 = 25 K

Diferencia de temperatura media logarítmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (35 − 25)/ln(35/25) = 29,72 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 60000/(1000·29,72) = 2,019 m²

Respuesta

A = 2,019 m²
18.Intercambiadores de calor (DTML)

Respuesta: Tc,out = 80,96 °C

LMTD method: the temperature difference between the streams changes along the exchanger, so the rate equation uses its logarithmic mean: Q̇ = U·A·ΔTlm, with ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), where ΔT₁ and ΔT₂ are the differences at the two ends. Counter-flow gives a larger ΔTlm than parallel flow for the same inlet and outlet temperatures.

Combina el balance de energía y la ecuación de transferencia

Con ΔT₁ = Ts − Tc,in y ΔT₂ = Ts − Tc,out, la diferencia ΔT₁ − ΔT₂ es igual al aumento de temperatura del agua, así que el aumento se simplifica.

ṁcp(ΔT₁ − ΔT₂) = U·A·(ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)
ln(ΔT₁/ΔT₂) = U·A/(ṁcp) = 3000·2/(1·4180) = 1,435

Temperatura de salida

ΔT₂ = ΔT₁·e−1,435 = 80·0,238 = 19,04 K
Tc,out = 100 − 19,04 = 80,96 °C

Respuesta

Tc,out = 80,96 °C

Calor transferido: Q̇ = 254,8 kW.

19.Conducción de calor

Respuesta: Ti = −3,224 °C

Resistencia térmica: el flujo de calor estacionario a través de capas en serie se comporta como la corriente por resistencias en serie: Q̇ = ΔT/ΣR, con R = L/(kA) para una capa conductora y R = 1/(hA) para una superficie con convección. La caída de temperatura en cada capa es proporcional a su resistencia.

Resistencias de las capas

R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0,035·6) = 0,7143 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,17·6) = 0,09804 K/W

Flujo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 23/0,8123 = 28,31 W

Temperatura de la interfaz

La temperatura baja Q̇·R₁ a través de la primera capa.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 17 − 28,31·0,7143 = −3,224 °C

Respuesta

Ti = −3,224 °C
20.Conducción de calor

Respuesta: U = 1,068 W/(m²·K)

Resistencia térmica: el flujo de calor estacionario a través de capas en serie se comporta como la corriente por resistencias en serie: Q̇ = ΔT/ΣR, con R = L/(kA) para una capa conductora y R = 1/(hA) para una superficie con convección. La caída de temperatura en cada capa es proporcional a su resistencia.

Resistencias en serie

Ri = 1/(hiA) = 1/(7,7·10) = 0,01299 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(1,4·10) = 0,01786 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,17·10) = 0,05882 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·10) = 0,004 K/W
ΣR = 0,09367 K/W

Coeficiente global

U = 1/(A·ΣR) = 1/(10·0,09367) = 1,068 W/(m²·K)

Respuesta

U = 1,068 W/(m²·K)
21.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: hf = 2,302 m

Flujo en tuberías: el número de Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ distingue el flujo laminar (Re por debajo de unos 2000) del turbulento (por encima de unos 4000). La fricción a lo largo de una tubería produce la pérdida de carga de Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Los accesorios, las válvulas, la entrada y la salida añaden pérdidas localizadas hm = ΣK·V²/(2g). Entre las superficies libres de dos depósitos abiertos la ecuación de la energía da Δz = hf + hm, incluida la pérdida de salida K = 1.

Altura de velocidad

V²/(2g) = 2,2²/(2·9,81) = 0,2467 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,028·(50/0,15)·2,2²/(2·9,81) = 2,302 m

Respuesta

hf = 2,302 m
22.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Δz = 11,3 m

Flujo en tuberías: el número de Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ distingue el flujo laminar (Re por debajo de unos 2000) del turbulento (por encima de unos 4000). La fricción a lo largo de una tubería produce la pérdida de carga de Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Los accesorios, las válvulas, la entrada y la salida añaden pérdidas localizadas hm = ΣK·V²/(2g). Entre las superficies libres de dos depósitos abiertos la ecuación de la energía da Δz = hf + hm, incluida la pérdida de salida K = 1.

Velocidad

V = Q/A = 0,05/0,01767 = 2,829 m/s
V²/(2g) = 0,408 m

Coeficientes de pérdida

f·L/D = 0,015·150/0,15 = 15
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 10 + 1,0 = 12,7

Pérdida de carga total

hf = 15·0,408 = 6,121 m
hm = 12,7·0,408 = 5,182 m
Δz = hf + hm = 11,3 m

Respuesta

Δz = 11,3 m
23.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: η = 71,88 %

Potencia de una bomba: la potencia que recibe el agua es la potencia hidráulica Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. El eje debe entregar más porque la bomba tiene pérdidas: Pshaft = Ph/ηpump, y el motor absorbe Pel = Pshaft/ηmotor. La altura de la bomba H sale de la ecuación de la energía: altura geométrica + altura de presión + todas las pérdidas por fricción y localizadas.

Potencia hidráulica

Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,025·34 = 8,338 kW

Rendimiento

η = Ph/Pshaft = 8,338/11,6 = 71,88%

Respuesta

η = 71,88%
24.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: H = 48,19 m

Potencia de una bomba: la potencia que recibe el agua es la potencia hidráulica Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. El eje debe entregar más porque la bomba tiene pérdidas: Pshaft = Ph/ηpump, y el motor absorbe Pel = Pshaft/ηmotor. La altura de la bomba H sale de la ecuación de la energía: altura geométrica + altura de presión + todas las pérdidas por fricción y localizadas.

Velocidad

V = Q/A = 0,05/0,01767 = 2,829 m/s
V²/(2g) = 0,408 m

Pérdidas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (73,33 + 8)·0,408 = 33,19 m

Altura de la bomba

Las dos superficies están abiertas y prácticamente en reposo, así que los términos de presión y velocidad se anulan.

H = Δz + hL = 15 + 33,19 = 48,19 m

Respuesta

H = 48,19 m

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