RESUMO 1 - TERMODINÂMICA

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FÍSICO-QUÍMICA - AULA 1 
 
TERMODINÂMICA 
 
 
Variáveis Importantes: 
Pressão: Força média aplicada por área. 
 
𝑃 =
𝐹(𝑓𝑜𝑟ç𝑎)
𝐴 (á𝑟𝑒𝑎)
= 
𝑁
𝑀2
= 𝑃𝑎 (𝑝𝑎𝑠𝑐𝑎𝑙) 
1𝑃𝑎 = 1 𝑁 ∙ 𝑚−2 
1𝑃𝑎 = 1𝑘𝑔 ∙ 𝑚−1 ∙ 𝑠−2 
 
 
Temperatura: fluxo de energia (grau de agitação das moléculas) 
 
𝑇(𝐾) = 𝑇(°𝐶) + 273,15𝐾 
 
Volume: espaço ocupado pela substância (área x altura) 
 
1L – 1000 mL 
1L – 1 dm³ 
1mL – 1 cm² 
1000L – 1 m³ 
 
Termodinâmica: 
→ Estuda as leis que regem as relações entre calor, trabalho e outras formas 
de energia, a transformação de um tipo de energia em outro, a disponibilidade 
de energia para a realização de trabalho e a direção das trocas de calor. 
 
Energia: 
Formas de energia: 
• Energia potencial (Epot): relacionada à posição relativa de corpos. 
o Ex. um corpo a determinada altura e em repouso possui grande 
energia potencial (massa conhecida, ação da gravidade, altura) 
• Energia cinética (Ecin): relacionada ao movimento de corpos. 
o Ex. corpo descendo um morro (massa conhecida, em movimento, 
velocidade conhecida) → a energia potencial é transformada em 
energia cinética 
Conversão: 
1 atm – 760 mmHg – 101325 Pa 
105 Pa – 1 bar 
Emily Emanuely Schmatz 
→ Energia térmica, mecânica, gravitacional, química... 
Lei da conservação da energia: todas as formas de energia podem ser 
interconvertidas em outras. 
 
Sistema Termodinâmico: 
Sistema: certa massa delimitada por uma 
fronteira, é a parte termodinâmica onde vai 
ser aplicada a transformação, parte do 
universo que está sendo estudada. 
Vizinhança: parte externa do sistema, fora da 
fronteira, que vai disponibilizar calor e 
trabalho. 
Fronteira: delimita o sistema. Para que uma transformação aconteça e o 
sistema e vizinhança se inter-relacionem a fronteira deve permitir as trocas. 
 
SISTEMA + VIZINHANÇA = UNIVERSO TERMODINÂMICO 
 
→ Quando utilizamos a termodinâmica para analisar mudanças de energia, 
focalizamos nossa atenção em uma parte do universo limitada e bem definida. 
 
Tipos de sistemas: 
Sistemas Abertos: trocam energia (calor ou trabalho) e matéria com as 
vizinhanças. 
Sistemas Fechados: trocam energia (calor ou trabalho) com as vizinhanças, 
mas não trocam matéria. 
Sistemas Isolados: são completamente isolados do ambiente. Não trocam 
calor, trabalho ou matéria com as vizinhanças. 
 
→ A energia pode ser trocada entre o sistema e as vizinhanças na forma de 
calor ou trabalho. 
→ As diferenças entre os tipos de sistemas são determinadas por seu tipo de 
fronteira. 
 
Emily Emanuely Schmatz 
Tipos de fronteiras: 
→ A fronteira é o que permite ou não que o sistema e a vizinhança entrem em 
contato. 
Fronteira permeável: sistema aberto – permite trocas de energia (trabalho ou 
calor) e matéria. 
Fronteira diatérmica: sistemas fechados – permite somente trocas de energia 
(trabalho ou calor). 
Fronteira adiabática: sistemas isolados – não permite trocas de energia e/ou 
matéria. 
 
 
 
Transferência de Energia: 
→ Energia é a capacidade de um sistema de executar mudanças ou trabalho. 
Calor (q): fluxo de energia devido a diferença de temperatura entre dois 
corpos. 
• O calor flui sempre do corpo mais quente para o mais frio até que atinjam 
o equilíbrio térmico. 
• Fluxo/movimento térmico → energia cinética 
• Movimento desordenado (aleatório) das moléculas. 
Trabalho (): energia gasta durante o ato de mover um objeto contra uma 
força. 
• Movimento ordenado (organizado) das moléculas → pode-se ordenar a 
direção da transferência de energia. 
• Direcionamento do fluxo de energia de modo a reaproveitá-la. 
• Ex. trabalho de expansão de um gás, trabalho elétrico, etc. 
 
𝜔 = 𝑓𝑜𝑟ç𝑎 × 𝑑𝑖𝑠𝑡â𝑛𝑐𝑖𝑎 
 
→ Trabalho e calor são modos de transferência de energia e NÃO são formas 
de energia. 
→ São formas equivalentes de transferência de energia. 
→ A distinção entre trabalho e calor se faz nas vizinhanças. 
 
 
Conceitos: 
Processo endotérmico: sistema absorve energia na forma de calor. 
Processo exotérmico: sistema cede energia na forma de calor. 
Emily Emanuely Schmatz 
Exemplo: 
 
𝑍𝑛(𝑠) + 2𝐻𝐶𝑙(𝑎𝑞) → 𝑍𝑛𝐶𝑙2(𝑎𝑞) + 𝐻2(𝑔) 
 
Oxidação do metal (Zn), liberação de gás (H2), liberação de energia – reação 
exotérmica. 
 
→ No 1º caso quando a reação acontece levando a formação de gás, ocorre 
a liberação de energia na forma de trabalho (o pistão se move exercendo 
trabalho sobre a vizinhança – trabalho de expansão) e na forma de calor 
(derrete o gelo). 
→ No 2º caso com o pistão preso o sistema não pode se expandir (volume cte) 
e toda a energia é transferida na forma de calor (derrete o gelo em maior 
quantidade). 
 
Tipos de Trabalho: 
→ Trabalho (): definido como sendo o produto da força pela distância 
(mecânica clássica). 
𝜔 = −𝑓𝑜𝑟ç𝑎 × 𝑑𝑖𝑠𝑡â𝑛𝑐𝑖𝑎 
 
• Os sinais resultantes de uma equação nos dão a direção do fluxo de 
transferência de energia. 
o  ou q = (–) → o sistema realiza trabalho ou libera calor sobre a 
vizinhança 
 
Trabalho de expansão: o gás de um cilindro realiza trabalho ao empurrar o 
pistão, deslocando a atmosfera. 
• Trabalho provocado pela mudança no volume de um sistema. 
Emily Emanuely Schmatz 
• Reações de combustão, por exemplo, levam a produção de gases e 
realizam trabalho de expansão. 
 
1. Expansão de um gás (h2>h1): 
 
 
• Aumento de volume promove o 
trabalho. 
• Nesse caso o sistema realizou trabalho (perdeu energia) –  é negativo. 
 
 
Unidades de energia: 
Sistema internacional de medidas → Joule (J) 
1𝐽 = 1 𝑘𝑔
𝑚2
𝑠2
 
1 𝑐𝑎𝑙 = 4,184 𝐽 
 
2. Compressão de um gás (h2<h1): 
 
 
• Se o sistema for comprimido (Vf<Vi), o trabalho será positivo. 
• Trabalho positivo indica que a vizinhança está atuando sobre o sistema. 
• Nesse caso quem realizou trabalho foi a Pex (vizinhança) sobre o 
sistema. 
→ Trabalho de expansão – Irreversível: onde não há mudança de volume 
(sistemas de vácuo ou contra o universo). 
• A pressão externa determina o trabalho realizado por um sistema. 
• Se Pex = 0 → w = 0 
o Expansão livre → trabalho de expansão mínimo 
h1 
h2 
h1 
h2 
Emily Emanuely Schmatz 
→ Trabalho de expansão – Reversível: modificação infinitesimal de uma 
variável (pequena variação de volume gradual). 
• Trabalho máximo de expansão (Pex = P) 
 
 
𝜔 = −𝑛𝑅𝑇 ln
𝑉𝑓
𝑉𝑖
 
 
Trabalho de não expansão: a reação química em uma bateria realiza trabalho 
quando empurra uma corrente elétrica em um circuito. 
 
Calor (q): 
→ Calor e temperatura são entidades completamente diferentes. 
Temperatura (T): medida do conteúdo de energia térmica de um objeto. 
Calor (q): é a energia transferida de um corpo para outro devido a uma 
diferença de temperatura. 
 
 
 
 
 
 
Conceitos: 
Propriedade extensiva: depende da quantidade de substância presente 
(calor, massa, volume). 
Propriedade intensiva: não depende da quantidade de substância presente, 
depende somente das propriedades da substância (temperatura, 
viscosidade, densidade). 
Emily Emanuely Schmatz 
 
Capacidade Calorífica (C): 
→ Variação de temperatura ocorrida em um objeto quando ele absorve certa 
quantidade de energia. 
→ Quanto calor é necessário para elevar a temperatura de um material em 
1°C. 
→ Unidade: J°C-1. 
 
• Uma C grande significa ser necessária uma grande quantidade de calor 
para produzir uma pequena variação de temperatura no sistema. 
 
Capacidade Calorífica Específica ou Calor Específico (c): 
→ Quanto calor é necessário para elevar a temperatura de 1g de um material 
em 1°C. 
→ Unidade: J g-1 °C-1. 
→ Propriedade extensiva 
 
 
𝑞 = 𝑚 ∙ 𝑐 ∙ ∆𝑇 
 
→ Em laboratório, as variações de calor nos processos físicos e químicos são 
medidas com um calorímetro. 
→ Um calorímetro é um sistema isolado. 
→ O calor liberado durante a reação eleva a temperatura da água no interior 
do banho que envolve a bomba. 
→ Bomba Calorimétrica – volume constante(reações de combustão e sólido-
gás). 
 
Energia Interna (U): 
→ A variação da energia de um sistema é resultado da transferência de 
energia na forma de calor e trabalho. 
→ Energia Interna (U): energia total de um sistema. 
• Relaciona as variações de calor e trabalho 
Emily Emanuely Schmatz 
→ Na prática não podemos medir U de uma amostra, pois ela inclui a energia 
cinética e potencial de todos os elétrons e de todos os componentes dos 
núcleos atômicos. 
→ Podemos determinar a variação de energia interna (U) através da energia 
fornecida ou perdida como calor ou trabalho. 
 
∆𝑈 = 𝑞 + 𝜔 
 
1ª lei da termodinâmica: a energia interna de um sistema isolado é constante. 
→ Lei da conservação da energia: a energia pode ser interconvertida de uma 
forma para outra, mas a quantidade total de energia do universo (sistema + 
vizinhança) conserva-se. 
 
Função de Estado: 
→ A energia interna é uma função de estado. 
→ Propriedades determinadas pelo estado do sistema, independentemente do 
modo como ele foi atingido. 
→ A variação do valor da função depende unicamente das condições finais e 
iniciais 
∆𝑋 = 𝑋(𝑒𝑠𝑡𝑎𝑑𝑜 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙) − 𝑋(𝑒𝑠𝑡𝑎𝑑𝑜 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙) 
 
 
 
Transferência de Energia: 
→ O trabalho é uma transferência de energia que pode causar um movimento. 
→ O calor é uma transferência de energia devida a uma diferença de 
temperatura entre o sistema e as vizinhanças. 
Convenções de sinais para trabalho e calor: 
• Se energia flui para dentro do sistema, o sinal é positivo (U > 0) 
• Se energia flui para fora do sistema, o sinal é negativo (U < 0) 
Emily Emanuely Schmatz 
 
 
Exemplo: Se um sistema realiza trabalho de 15J, ele consumiu parte da 
energia armazenada, ou seja, a energia interna diminuiu 15J. 
U = -15 J 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Emily Emanuely Schmatz 
EXEMPLOS: 
1. Suponha que uma pessoa produz 622 kJ de trabalho em uma bicicleta 
ergométrica e perde 82 kJ de energia como calor. Qual é a variação de energia 
interna da pessoa? 
∆𝑈 = 𝑞 + 𝜔 
∆𝑈 = (−82𝑘𝐽) + (−622𝑘𝐽) 
∆𝑈 = −704𝑘𝐽 
2. Uma bateria elétrica é carregada pelo fornecimento de 250 kJ de energia na 
forma de trabalho elétrico (resultante da passagem de uma corrente elétrica 
pela bateria), e há uma perda de 25 kJ de energia como calor durante o 
processo. Qual é a variação da energia interna da bateria? 
∆𝑈 = 𝑞 + 𝜔 
∆𝑈 = (−25𝑘𝐽) + 250𝑘𝐽 
∆𝑈 = 225𝑘𝐽 
3. Sabendo que o calor específico do cobre é 0,385 J. g-1. K-1. Calcule a 
variação do conteúdo de calor de uma amostra de 10,0 g de cobre se sua 
temperatura for aumentada de 298 K para 598 K. 
𝑞 = 𝑚 ∙ 𝑐 ∙ ∆𝑇 
𝑞 = 10,0𝑔 ∙ 0,385𝐽. 𝑔−1. 𝐾−1 ∙ (598𝐾 − 298𝐾) 
𝑞 = 10,0𝑔 ∙ 0,385𝐽. 𝑔−1. 𝐾−1 ∙ (300𝐾) 
𝑞 = + 1155,0 𝐽 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Emily Emanuely Schmatz 
EXERCÍCIOS: 
1. Suponha que você jogue uma bola de tênis para o alto. 
(a) A energia cinética da bola aumenta ou diminui à medida que ela ganha 
altitude? 
Diminui, à medida que a bola sobe mais alto e se opõe à gravidade, a energia 
cinética é transformada em energia potencial. 
(b) O que acontece com a energia potencial da bola à medida que ela ganha 
altitude? 
Aumenta. 
2. Calcule a variação da energia interna do sistema para um processo no qual 
ele absorve 140 J de calor da vizinhança e realiza 85 J de trabalho na 
vizinhança. (Resposta: + 55 J) 
∆𝑈 = 𝑞 + 𝜔 
∆𝑈 = 140𝐽 + (−85𝐽) 
∆𝑈 = 55 𝐽 
 
3) Os gases hidrogênio e oxigênio são queimados. Enquanto a reação ocorre, 
o sistema perde 1.150 J de calor para a vizinhança. A reação faz também com 
que o êmbolo suba à medida que os gases se expandem. O gás em expansão 
realiza 480J de trabalho na vizinhança à medida que pressiona a atmosfera. 
Qual é a mudança na energia interna do sistema? (Reposta: -1630 J) 
∆𝑈 = 𝑞 + 𝜔 
∆𝑈 = (−1150𝐽) + (−480𝐽) 
∆𝑈 = −1630 𝐽 
 
4) Determine a quantidade de calor que deve ser adicionada para elevar a 
temperatura de um copo de café (250 mL) de 20,5 °C a 95,6 °C. Suponha que 
a água e o café tenham a mesma densidade (1,00 g/mL) e a mesma 
capacidade calorífica específica (4,184 J/g K). (Resposta: 78554,6 J ou 78,55 
kJ) 
**lembrar de transformar a T para Kelvin 
𝑑 =
𝑚
𝑉
 
1𝑔
𝑚𝑙
=
𝑚
250𝑚𝐿
 𝑚 = 250𝑔 
 
 
𝑞 = 𝑚 ∙ 𝑐 ∙ ∆𝑇 
𝑞 = 250𝑔 ∙ 4,184 𝐽. 𝑔−1. 𝐾−1 ∙ (368,75𝐾 − 293,65𝐾) 
𝑞 = 250𝑔 ∙ 4,184 𝐽. 𝑔−1. 𝐾−1 ∙ (75,1𝐾) 
𝑞 = + 78554,6 𝐽 
Emily Emanuely Schmatz