Aula 8_Primeira Lei da Termodinâmica

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FÍSICO-QUÍMICA 
1ª Lei da Termodinâmica
Thiago Barreto da Silva Amaral
Podemos admitir que toda e qualquer substância possui certa quantidade de energia interna ou potencial (U) armazenada em seu interior, 
Parte dessa energia pode ser entendida como:
Energia química (nas ligações entre os átomos, na coesão entre as moléculas, etc.) 
Energia térmica (nos movimentos de translação, rotação e vibração de átomos e moléculas). 
CONCEITOS BÁSICOS
Numa reação química:
Quando a energia interna total dos reagentes (energia inicial) for maior do que a energia interna total dos produtos formados (energia final), haverá uma sobra de energia; consequentemente, a reação irá liberar energia na forma de calor;
Quando a energia interna total dos reagentes (energia inicial) for menor do que a dos produtos formados (energia final), a reação somente poderá ser processada se puder absorver, no mínimo, a energia que falta
CONCEITOS BÁSICOS
Assim em uma reação química, quando as moléculas perdem energia interna ou potencial (que é uma energia química), ganha-se igual quantidade de calor e/ou trabalho;
A partir dessas observações é necessário definir calor e trabalho.
CONCEITOS BÁSICOS
1. Calor
É a forma de energia que se transfere espontaneamente de um corpo de maior temperatura para um corpo de menor temperatura.
CONCEITOS BÁSICOS
A transferência de calor cessa quando as temperaturas se igualam (equilíbrio térmico)
A transferência de calor não envolve trabalho
 
A quantidade de calor (Q) trocada entre dois corpos é dada em:
	Joules (J) : SI
	Calorias (cal): 1 cal = 4,186 J
CONCEITOS BÁSICOS
Quando um corpo se aquece ocorre variação de temperatura ou mudança de estado.
Calor sensível: variação de temperatura
Calor latente: mudança de estado
CONCEITOS BÁSICOS
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Calor sensível
O calor sensível pode ser definido como:
O coeficiente de proporcionalidade “c” é uma característica do material que constitui o corpo, é denominado calor específico.
Para o caso citado acima o valor de “c” é um valor médio para pequenos intervalos de temperatura, uma vez que “c” depende da temperatura
q T
CONCEITOS BÁSICOS
Calor específico: quantidade de calor necessária para variar 1 unidade de temperatura , 1 g de uma dada substância.
Calor específico molar: quantidade de calor necessária para variar em 1 unidade de temperatura, 1 mol de uma dada substância.
Capacidade térmica: produto da massa m de um corpo pelo calor específico e do material que o constitui define a capacidade térmica do corpo.
C 
q T
CONCEITOS BÁSICOS
Aumento de temperatura
Calor recebido
Tfinal > Tinicial ΔT > 0
Q > 0
Diminuição da temperatura
Calor cedido
Q < 0
Tfinal < Tinicial ΔT < 0
CONCEITOS BÁSICOS
Calor envolvido numa transformação termodinâmica isovolumétrica
T
Cv: calor específico molar a volume constante
CONCEITOS BÁSICOS
Os valores de cv e cp dependem da natureza do gás envolvido
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Calor envolvido numa transformação termodinâmica isobárica
T
Cp: calor específico molar a pressão constante
CONCEITOS BÁSICOS
A
B
QA > QB 
QA = QB 
Equilíbrio
Trocas de calor
Se dois ou mais corpos trocam calor entre si, a soma algébrica das quantidades de calor trocadas pelos corpos, até o estabelecimento do equilíbrio térmico é nula (igual a zero)
CONCEITOS BÁSICOS
Mudança de fase:
Quando uma substância recebe calor suas moléculas passam a se agitar mais intensamente;
Para uma dada temperatura essa agitação pode ser suficiente para que as moléculas tenham um grau de liberdade de movimentação maior e portanto uma mudança de estado físico;
Ocorre então um processo de transformação de fase;
Durante a transformação de fase a temperatura não varia;
Passada a transformação a temperatura pode variar novamente.
CONCEITOS BÁSICOS
Calor latente:
O calor latente (L) de uma mudança de fase é numericamente a quantidade de calor que a substância recebe (ou cede), por unidade de massa, durante a transformação, mantendo-se constante a temperatura. 
q L
CONCEITOS BÁSICOS
Diferença entre gás e vapor:
Quando um gás é colocado em um cilindro provido de um êmbolo, ao mantermos constante a sua temperatura e reduzindo o seu volume a pressão irá aumentar;
Quando uma determinada pressão crítica é atingida e o gás começa a se condensar e a partir desse ponto a pressão não mais se modifica;
Já o gás é a substância na fase gasosa numa temperatura superior à temperatura crítica, não se condensando por compressão isotérmica
A pressão máxima de vapor corresponde, portanto, ao equilíbrio líquido ↔ vapor, essa pressão não dependem do volume ocupado pelo vapor e é dependente da temperatura
CONCEITOS BÁSICOS
2. Trabalho
Assim como o calor o Trabalho (W), também se relaciona com as trocas energéticas
Entretanto sem influência da temperatura
É o movimento de oposição (contrário) a uma força
CONCEITOS BÁSICOS
Considerando um gás ideal confinado em um recipiente com um embolo de massa (m) que pode se movimentar livremente;
A pressão se manterá constante pois a massa do êmbolo não varia;
Sendo o estado inicial do sistema descritos por: T1, V1 e P;
Ao fornecermos calor ao sistema o gás sofrerá expansão deslocando o êmbolo uma distância (d);
O estado final do sistema será descrito por: T2, V2 e P
CONCEITOS BÁSICOS
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O trabalho realizado pelo gás é dado por:
Estado inicial
Estado Final
Unidade:
Joules (J) : SI
CONCEITOS BÁSICOS
P
d
Vfinal > Vinicial ΔV > 0 W > 0
Trabalho de expansão
CONCEITOS BÁSICOS
Vfinal < Vinicial ΔV < 0 W< 0
P
d
Trabalho de compressão
CONCEITOS BÁSICOS
Lei Zero da Termodinâmica
A lei zero da termodinâmica estabelece que "se dois corpos A e B estão separadamente em equilíbrio térmico com um terceiro corpo C, então A e B estão em equilíbrio térmico entre si". 
3. Energia interna
Como visto anteriormente a energia interna é intrínseca ao material e está relacionada à:
Energia térmica: agitação, rotação e translação dos átomos
Energia química: forças de ligação entre átomos e de coesão entre as moléculas
1ª Lei da Termodinâmica
Esta energia potencial está associada à força de ligação entre átomos, distância entre os átomos
A energia cinética de cada molécula depende da sua velocidade
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Tfinal > Tinicial ΔT > 0 ΔU > 0
Tfinal < Tinicial ΔT < 0 ΔU < 0
Energia interna
Aumenta
Diminui
1ª Lei da Termodinâmica
Para um sistema simples como o descrito anteriormente, onde temos um gás ideal sofrendo expansão num processo isobárico a energia interna está relacionada apenas a energia de translação das moléculas que constituem o sistema
Tfinal = Tinicial ΔT = 0 ΔU = 0
Não varia
1ª Lei da Termodinâmica
Vimos então que num processo termodinâmico, há dois tipos de trocas energéticas com o meio exterior:
	Calor (q)
	Trabalho (W)
A variação da energia interna ΔU sofrida pelo sistema é consequência desse balanço energético
4. Definição da Primeira Lei da Termodinâmica
A Primeira Lei da Termodinâmica é também conhecida como Lei da Conservação da Energia;
E pode ser enunciada de duas maneiras:
1ª Lei da Termodinâmica
A energia não pode ser criada nem destruída, apenas transformada.
Em um sistema isolado, a quantidade total de energia é constante.
1ª Lei da Termodinâmica
1ª Lei da Termodinâmica
1ª Lei da Termodinâmica
A variação da energia interna é então definida matematicamente por:
1ª Lei da Termodinâmica
W
A variação da energia interna de um sistema é dada pela diferença entre o calor trocado com o meio exterior e o trabalho realizado no processo termodinâmico 
Exemplo 4 – Numa transformação isobárica um gás recebeu do meio exterior uma quantidade de calor 20 J e realizou um trabalho sobre o meio exterior de 3 J. Qual será sua energia interna
1ª Lei da Termodinâmica
1ª Lei da Termodinâmica
Em resumo a convenção aquisitiva:
W>0 e q>0 se a energia é transferida para o sistema como trabalho ou como calor.
W<0 e q<0 se o sistema perde energia como trabalho ou como calor
1ª Lei da TermodinâmicaExemplo 5 – Um motor produz 15 KJ de energia em cada segundo, na forma de trabalho mecânico, e perde 2 KJ de calor para o ambiente (as vizinhanças), também pode ser segundo. A variação de energia interna do motor é então:
1ª Lei da Termodinâmica
1ª Lei da Termodinâmica
1ª Lei da Termodinâmica
1ª Lei da Termodinâmica
1ª Lei da Termodinâmica
1ª Lei da Termodinâmica
1ª Lei da Termodinâmica
1ª Lei da Termodinâmica
1ª Lei da Termodinâmica
1ª Lei da Termodinâmica
1ª Lei da Termodinâmica
1ª Lei da Termodinâmica
1ª Lei da Termodinâmica
1ª Lei da Termodinâmica
1ª Lei da Termodinâmica
1ª Lei da Termodinâmica
Exemplo 6 – Calcule o trabalho efetuado quando 50 g de ferro reagem com ácido clorídrico produzindo hidrogênio gasoso
Num vaso fechado e volume fixo
Num bécher aberto, a 25°C
1ª Lei da Termodinâmica
Num vaso fechado e volume fixo
O volume não pode se alterar então não há trabalho de expansão e portanto w = 0.
1ª Lei da Termodinâmica
b) Num bécher aberto, a 25°C
 Um característica geral de um processo em que uma fase condensada se transforma em uma fase gasosa é a que o volume da fase inicial pode ser desprezado, em geral, diante do volume da fase gasosa.
1ª Lei da Termodinâmica
O gás formado desloca a atmosfera.
W = - n R T
W = - 50 / 55,85 . 8,314 . 298,15
W = - 2,2 KJ
O sistema efetua um trabalho de 2,2 kJ ao deslocar a atmosfera.