Primeira Lei da Termodinâmica e Trabalhos de expansão

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Físico-Química I
1ª LEI DA TERMODINÂMICA
- TRABALHO DE EXPANSÃO Professora: Camila Ottonelli Calgaro
camilacalgaro@ifsul.edu.br
1ª Lei da Termodinâmica
 O uso de energia é essencial para a nossa vida. Estamos rodeados de situações em que as
transformações físico-químicas nos permitem fazer uso da energia dos sistemas.
Transferência de energia na forma de calor
Transferência de energia na forma de trabalho
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Definições iniciais
Tipos de sistema em relação às vizinhanças
Exemplo
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Definições iniciais
Processos endotérmicos e exotérmicos
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Sistemas com fronteiras 
adiabáticas 
Processos isotérmicos 
(fronteiras diatérmicas)
Propriedades termodinâmicas
Extensiva: é aquela cujo valor é igual à soma de seus valores para as partes do sistema. Assim, 
se dividirmos um sistema em partes, a massa do sistema é a soma das massas das partes; massa 
é uma propriedade extensiva, assim como o volume. -> Depende da quantidade de material.
Intensiva: é aquela cujo valor não depende do tamanho do sistema, desde que o sistema tenha
um tamanho macroscópico. Massa específica e pressão são exemplos de propriedades
intensivas. Podemos considerar uma gota de água ou uma piscina cheia d’água que ambos os
sistemas terão a mesma massa específica.
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Calor e trabalho
Calor: é a transferência de energia que
utiliza o movimento caótico das
moléculas.
Trabalho: é a transferência de energia
que utiliza o movimento ordenado das
moléculas. Existem muitas formas de
trabalho, entre elas o trabalho
mecânico (expansão/compressão,
rotação de uma manivela), elétrico e a
magnético.
Calor e trabalho são funções de
trajetória, pois dependem do caminho.
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Energia
A energia pode ser definida como a capacidade de produzir trabalho. 
A energia se divide em energia cinética, energia potencial e energia interna.
Energia cinética: energia do movimento;
𝑬𝒄 = 𝒎
𝒗𝟐
𝟐
Energia potencial: associada à posição do objeto;
𝑬𝒑 = 𝒎𝒈𝒛
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Energia Interna (U)
É a energia total de um sistema.
Esta energia é a energia cinética e potencial total das moléculas que compõem
o sistema.
Variação da Energia Interna:
ΔU = Uf -Ui
A energia interna é uma função de estado, ou seja, seu valor depende
exclusivamente do estado atual em que está o sistema e não depende do
caminho.
É uma propriedade extensiva.
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Interpretação molecular da energia 
interna
Uma molécula tem um certo número de graus de liberdade, tais como a sua capacidade em se
transladar (deslocar o seu centro de massa através do espaço), girar em torno do seu centro de
massa ou vibrar. -> As moléculas podem sofrer: translação, rotação ou vibração.
Gás monoatômico, somente translação
Quando o gás consiste em moléculas poliatômicas é necessário considerar os efeitos de rotação e
vibração.
A contribuição das vibrações moleculares para a energia interna é insignificante, exceto para moléculas
muito grandes como polímeros.
Molécula linear, somente translação e rotação
Molécula não linear, somente translação e rotação
9Fonte: Atkins e De Paula, 2006. 
A Primeira Lei da Termodinâmica
Primeira Lei da Termodinâmica
q>0 sistema absorve calor
q<0 sistema perde calor
w>0 trabalho é feito sobre o sistema
w<0 trabalho é realizado pelo sistema
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Exemplo 1.
Quando as pás de um ventilador estão se movimentado, 100 J de trabalho são
feitos sobre elas, mas 15 J escapam para as vizinhanças como calor. Qual é a
variação de energia interna das pás do ventilador?
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Exemplo 2.
Quando se enrola uma mola, faz-se um trabalho de 100 J sobre ela, mas 15 J
escapam para as vizinhanças na forma de calor. Qual é a variação de energia
interna da mola?
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Tipos de trabalho
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Fonte: Atkins e De Paula, 2006. 
Trabalho
W de expansão 
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Fonte: Atkins e De Paula, 2010. 
Trabalho
W de expansão livre
Significa uma expansão contra uma força nula. Ocorre quando pext=0 
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Trabalho
W de expansão contra pressão constante 
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Fonte: Atkins e De Paula, 2010. 
Exercício 1: uma reação química ocorre num vaso de seção reta uniforme, de 100 cm2, provido 
de um pistão. Em virtude da reação, o pistão se desloca 10 cm contra a pressão externa de 1 
atm. Calcule o trabalho feito pelo sistema.
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Trabalho
Expansão reversível ocorre quando pext=p em cada etapa da expansão
Transformação reversível: pode ser invertida pela modificação infinitesimal de uma variável.
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W reversível:
Trabalho
W de expansão isotérmico reversível para um gás ideal 
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Fonte: Atkins e De Paula, 2010. 
Exemplo 3 – expansão reversível
Considere 1 mol de um gás ideal a 298 K e calcule a pressão do gás para o volume de 1, 3, 5, 7, 
9 e 11 m³.
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Exemplo 3 – expansão reversível
Com os valores de pressão obtidos e de volume calcule o W de expansão realizado em cada
intervalo de variação de volume. Depois some os valores de W e obtenha um valor de W
correspondente a variação do volume de 1 a 11 m³.
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Fonte: https://www.coursera.org/learn/physical-chemistry/lecture/wrSpW/reversible-expansion
Exemplo 3 – expansão reversível
Calculando o W para variações de volume de 0,5 m³ em 0,5m³ até 11 m³.
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Fonte: https://www.coursera.org/learn/physical-chemistry/lecture/wrSpW/reversible-expansion
Exemplo 3 – expansão reversível
Se o gás expandir-se de forma infinitesimal isso caracterizará a expansão reversível. Então
agora calcule o trabalho a partir da equação para processo isotérmico reversível.
23Fonte: https://www.coursera.org/learn/physical-chemistry/lecture/wrSpW/reversible-expansion
Exercício 2: Uma amostra de 1 mol de Ar se expande isotermicamente, a 0°C, de 22,4L até 44,8
L (a) reversivelmente, (b) contra uma pressão externa constante igual à pressão final do gás e (c)
livremente (contra uma pressão externa nula). Em cada processo, calcule, q, w e ∆U.
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Exercício 2: Uma amostra de 1 mol de Ar se expande isotermicamente, a 0°C, de 22,4L até 44,8
L (a) reversivelmente, (b) contra uma pressão externa constante igual à pressão final do gás e (c)
livremente (contra uma pressão externa nula). Em cada processo, calcule, q, w e ∆U.
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Exercício 3: Uma amostra de 4,50 g de metano gasoso ocupa o volume de 12,7 L a 310K. (a)
Calcule o trabalho feito quando o gás se expande isotermicamente contra uma pressão externa
constante de 0,263 atm até o seu volume aumentar de 3,3L. (b) Calcule o trabalho realizado se a
mesma expansão fosse feita reversivelmente.
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