Investigación 1

Termodinámica
Química
Otoño 2022
Investigación 1:
Aplicación de la primera Ley de la Termodinámica
al Gas Acetileno
María Acevedo Sellon 174467: Ingeniería ambiental

Mónica Martínez Bojalil 173915: Bioquímica Clínica
Ángela Jatziri Sánchez López 174508: Químico Farmacéutico Biólogo
Rajel Ramírez Muñoz 172278: Nanotecnología e Ingeniería Molecular
9 de octubre de 2022
1. Objetivo de la investigación: El objetivo de esta investigación es aplicar los conceptos que
comprende la primera ley de la termodinámica al acetileno. Además, se busca reforzar los
conceptos aprendidos durante el curso y aplicarlos de forma práctica estudiando el
comportamiento de un gas en los procesos termodinámicos, específicamente del acetileno.
2. Abstract:
A collection of different data on acetylene presented. Its behavior and the ways in which it can
be influenced by the laws of the first law of thermodynamics are invoked. The most famous
acetylene compounds are mentioned, as well as their applications in different types of systems.
The BASF method for acetylene production is analyzed as well as the main chemical and
physical properties of this gas. Graphics of its volume and density are presented in function of
the varying temperature.
3. Antecedentes:
La primera ley de la termodinámica establece que, en un sistema, el cambio de la energía
interno está dado por la transferencia neta de calor más el trabajo realizado sobre el sistema.
Además, la ley establece que, en un sistema aislado, el cambio de energía interno debe permanecer
constante, ya que no hay transferencia de calor ni trabajo. La primera ley de la termodinámica se
puede expresar de la siguiente manera:
∆𝑈 = 𝑄 + 𝑊
Donde ΔU es el cambio en la energía interna, Q es el calor neto transferido al sistema y W es el
trabajo realizado sobre el sistema.
En un sistema adiabático, en el que las paredes del sistema no permiten la transferencia de calor,
el cambio de energía interno es expresado de la siguiente manera:
∆𝑈 = 𝑊𝑎𝑑
Donde Wad representa el trabajo realizado en el sistema adiabático.
La primera ley de la termodinámica también se expresa como:
𝑑𝑈 = 𝑑𝑄 + 𝑑𝑊
En esta ecuación podemos ver la forma diferencial de estudiar el cambio de energía interna
de un sistema. La diferencial de la energía es exacta, es decir, que no depende de la trayectoria. Al
ser una variable de estado de puede estudiar su valor inicial y final y el camino o trayecto es
despreciable. Por otro lado, el calor y el trabajo no son variables de estado, es decir que no se
pueden estudiar y determinar en un punto especifico del proceso termodinámico. El trabajo y el
calor son diferenciales inexactas, lo que significa que si dependen del trayecto que siguen para
pasar del estado inicial al final y este debe ser considerado.
La energía interna del sistema es la suma de las energías involucradas en el sistema, es
decir, la energía cinética y potencial de las moléculas interactuando en el sistema. La energía
interna solo se estudia en el momento dado en que sea desea conocer el estado del sistema, es
decir, que es independiente del camino. En otras palabras, el cambio de energía interna en un
sistema depende solamente del estado inicial y final de este, no del proceso o trayectoria por el
cual llegó a dicho estado. Por otro lado, Q y W si dependen del camino y no únicamente de los
estados inicial y final.
Es importante considerar los signos de las variables involucradas en la ecuación. Un valor
positivo de Q indica que hay una transferencia de calor hacia el sistema. Por el contrario, un valor
negativo de Q indica que el sistema transfiere calor a su entorno. Un valor positivo de W significa
que el sistema efectúa trabajo sobre su entorno. Un ejemplo de esto es la expansión de un gas. Por
otro lado, cuando W tiene un signo negativo esto indica que el entorno está realizando trabajo
sobre el sistema, como sucede en la compresión de un gas.
Como se mencionó anteriormente, la expansión de un gas es una buena forma de

ejemplificar la energía interna de un sistema. En un sistema cerrado, al aumentar la temperatura
del gas, las moléculas se mueven más rápido y esto aumenta a su vez la energía cinética del sistema.
Como resultado, ΔU, o el cambio de energía interno, sería positivo. Si, por el contrario, las
moléculas del gas se mueven más lentamente ante una disminución en la temperatura, el cambio
total de energía interno sería negativo.
4. Propiedades fisicoquímicas del acetileno
Estructura química:
Reactividad (ácido, base, oxidante): Levemente acido

Masa molecular: 26.04 g/mol
Estado físico y aspecto: El acetileno es un gas inodoro e incoloro. El acetileno de grado comercial
puede tener un olor similar al del éter o del ajo.
Puntos de fusión, ebullición, sublimación:
Punto de fusión 192.45 K (−80.7°C)
Punto de ebullición 189.15 K (−84 °C)

188.45 K (-84.7 °C)
Temperatura crítica
Densidad: 1.095 kg/m3 a 288.15 K

Capacidad calorífica y calor específico:
Capacidad calorífica 1,687 kJ/Kg K

Calor especifico 1,674 J/g K
5. Desarrollo
Para esta investigación se analizó un texto sobre las propiedades química y físicas del acetileno
y sus principales reacciones y procesos de tratamiento en la industria de la Enciclopedia de química
industrial. En el artículo se reporta que la densidad del acetileno en estado gaseoso a 288.15 K es
de 1.095 kg/m3 y de 465.2 kg/m3 en estado líquido, a 273.15 K. (Pässler et al., 2012). La siguiente
gráfica muestra la curva de presión de vapor del acetileno en función de la temperatura:
(Pässler et al., 2012)
La curva muestra también el punto triple del acetileno, que corresponde a 192.4 K, así como
la temperatura del punto crítico, que corresponde a 308.32 K. otra gráfica en el artículo muestra la
densidad del acetileno en forma gaseosa y líquida en función del cambio de temperatura:
( Pässler et al, 2012)

En el artículo se reporta también que la entalpía de formación del acetileno es ΔHf = 227.5 ±
1.0 kJ/mol (a 298.15 K). Su alta energía de formación se debe principalmente al enlace triple entre
los átomos de carbón que forman el compuesto.
Para calcular la entalpia estándar de formación de acetileno (C2H2) a partir de sus elementos:
2C(s) + H2 (g) → C2H2 (g)
Las ecuaciones para cada paso y los cambios de entalpia correspondientes son:
a. 2C(s) + 2O2 → 2CO2 (g) ΔH = - 787.0 kJ
b. H2 (g) + ½ O2 (g) → H2O (l) ΔH = - 285.8 kJ
c. 2CO2 (g) + 2H2O (l) → C2H2 (g) + 5/2 O2 (g) ΔH = 1301.1 kJ
La entalpía resultante de la formación de acetileno es de 228.3 kJ/mol. La reacción es endotérmica,
ya que al producir un mol de acetileno se absorben 228.3 kJ de energía. (Ciencias de Joseleg, 2022)
Una reacción que se menciona en el texto es el cambio del acetileno sólido de una forma cúbica a
una forma ortorrómbico. El calor de reacción de este cambio de fase es de 2.54 kJ/mol y ocurre a
-140.5 °C. La capacidad calorífica del acetileno, en estado de gas ideal, es de 43.990 J mol -1 K-1 a
298.15 K (Pässler et al., 2012).
Un proceso industrial que se menciona en el artículo y que se analizará en esta
investigación es el proceso BASF o Sachsse-Bartholome para la producción de acetileno a partir
de gas natural y oxígeno. Este método consiste en una combustión parcial de hidrocarburos, que
se calientan previamente (a) a temperaturas muy elevadas y luego son llevados a un quemador (b),
donde se mezclan los reactivos antes de pasar a la zona de reacción. Una vez que la reacción se
lleva a cabo, la mezcla de gases se enfría por medio de una unidad de extinción, que puede ser de
agua o de aceite. En el caso del agua, su temperatura es de 80 °C aproximadamente para poder
enfriar el gas inmediatamente. Esto se lleva a cabo dentro del quemador, y una vez que concluye
esta etapa del proceso, el gas obtenido se procesa para retirar el hollín que queda como resultado
de una combustión incompleta. (Pässler et al., 2012)
Cuando el gas sale del quemador (b), después de ser enfriado con agua, está a una
temperatura de entre 80 y 90 °C y entra a una columna de recirculación (c) con agua fría y un
electro filtro (d) donde el hollín se elimina casi completamente. El gas, después de esa etapa, sale
con una presión un poco más elevada que la presión atmosférica y a una temperatura de
aproximadamente 30 °C (Pässler et al., 2012). Las partes del proceso están señaladas con la letra
correspondiente en el diagrama que se encuentra a continuación:
Este proceso es llevado a cabo a temperatura muy altas. Los diferentes sistemas que
conforman el proceso son sistemas abiertos, ya que en todos se permite el flujo y transferencia de
masa, así como la transferencia de energía. Por lo tanto, las paredes de los sistemas son diatérmicas
y los sistemas abiertos.
En el artículo se dan los siguientes datos en la producción de una tonelada de acetileno con
el proceso BASF:
→ La energía inicial o de entrada en el sistema es de 287.7 GJ
→ La energía final o de salida del sistema es de 174.9 GJ
→ El cambio de energía durante el proceso es de 112.8 GJ
→ Inicialmente, se requieren 2694 m3 de gas natural y 3400 m3 de oxígeno para llevar a cabo
el proceso y obtener una tonelada de acetileno. (Pässler et al., 2012)
6. Conclusión:
Como conclusión, podemos decir que en la investigación aplicamos los conceptos aprendidos
durante el curso y pudimos observarlos en un ejemplo de la industria. Analizamos el proceso
de producción del acetileno en uno de los diferentes métodos que se utilizan y pudimos
observar cada etapa usando los conceptos aprendidos en el curso sobre la primera ley de la
termodinámica, el estado termodinámico y las propiedades físicas y químicas de los gases.
7. Bibliografía:
Craig, N. C. & Gislason, E. A. (2002). First law of thermodynamics; irreversible and reversible
processes. Journal of Chemical Education, Vol. 79(2), 193-200.
Pässler, P. & Hefner, W. & Buckl, K. & Meinass, H. & Meiswinkel, A. & Wernicke, H. J. &
Ebersberg, G. & Müller, R. & Bässler, J. & Behringer, H. & Mayer, D. (2012). Acetylene.
Wiley-VCH, Vol. 1, 278-326.
National Center for Biotechnology Information (2022). PubChem Compound Summary for CID
6326, Acetylene. Recuperado el 8 de octubre, de
https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Acetylene.
Ciencias de Joseleg (2022, marzo 9). Entalpía estándar en la formación de acetileno:
2C(grafito)+H2(g)→C2H2(g) Ley de Hess.
https://www.youtube.com/watch?v=d9vZe8xads8
Khan Academy. (2022). What is the first law of thermodynamics. Recuperado el 8 de octubre, de
https://www.khanacademy.org/science/physics/thermodynamics/laws-of-
thermodynamics/a/what-is-the-first-law-of-thermodynamics

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Como se mencionó anteriormente, la expansión de un gas es una buena forma de

Reactividad (ácido, base, oxidante): Levemente acido

Punto de fusión 192.45 K (−80.7°C)

Punto de ebullición 189.15 K (−84 °C)

Densidad: 1.095 kg/m3 a 288.15 K

Capacidad calorífica 1,687 kJ/Kg K

( Pässler et al, 2012)

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