Termodinâmica - Aula 1

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Universidade Federal de Santa Maria 
Centro de Ciências Naturais e Exatas
Departamento de Química
QMC1059 – Química Geral “A”
Profa. Vânia Denise Schwade
UNIDADE 7: INTRODUÇÃO À TERMODINÂMICA
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- Sistemas, estados e funções de estado.
- Transformações termodinâmicas. Conservação da energia.
- Entalpia e 1º princípio da termodinâmica.
- Termodinâmica: equações termodinâmicas, lei de Hess, calorimetria e 
calores de reação.
- Entropia e 2º princípio da termodinâmica.
- Energia livre de Gibbs e 3º princípio.
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UNIDADE 7: INTRODUÇÃO À TERMODINÂMICA
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O que é termodinâmica?
É o estudo das transformações da energia.
Calor e trabalho são dois conceitos 
fundamentais da termodinâmica.
James Joule (físico inglês) mostrou que 
calor e trabalho são duas formas de 
transferir energia.
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Motor de um automóvel:
Uma centelha acende a mistura de vapor de gasolina e o ar no motor;
O vapor queima e se expande, transferindo energia para a vizinhança 
na forma de calor e trabalho.
https://pt.dreamstime.com/carro-retro-no-estilo-dos-desenhos-animados-autom%C3%B3vel-do-
esbo%C3%A7o-da-cor-e-preto-cl%C3%A1ssico-tirado-amarelo-image126234977
ao empurrar um pistão
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Trabalho é o processo de realizar movimento contra uma força oposta.
https://www.hiclipart.com/free-transparent-
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A reação química em uma BATERIA realiza 
trabalho quando empurra uma corrente elétrica 
em um circuito:
- a corrente elétrica pode ser usada para 
movimentar um motor elétrico que eleva um 
peso.
Trabalho = força × distância
O trabalho necessário para mover um objeto até uma certa distância, contra 
uma força que se opõe, é calculado por:
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Como acompanhar as mudanças de energia (na termodinâmica)?
Por conveniência, o mundo é dividido em duas partes:
1. Sistema: é a “região de interesse”. 
Exemplos: frasco contendo um gás; uma mistura de reação...
2. Vizinhança: é o entorno da “região de interesse”. 
Exemplos: banho-maria onde um balão contendo uma mistura de 
reação está imerso.
https://www.nature.com/articles/nprot.2017.138
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O sistema e a vizinhança formam o universo.
Na vizinhança são feitas as observações 
sobre:
- A energia transferida para o sistema;
- A energia retirada do sistema.
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TIPOS DE SISTEMA:
Sistema aberto: pode trocar matéria e 
energia com a vizinhança.
Sistema fechado: pode trocar apenas 
energia com a vizinhança. Tem uma 
quantidade fixa de matéria.
Sistema isolado: não pode trocar 
matéria nem energia com a vizinhança.
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Exemplos:
Corpo humano
Bolsa de gelo
Copo térmico com 
café quente
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O conteúdo total de energia de um sistema é chamado de energia interna, U.
Quando um sistema realiza apenas trabalho, w, a variação da energia interna
(a energia total do sistema) é:
∆U = w
Exemplo: se um sistema executa 40 Joules de trabalho, 
w = ‒40 J
∆U = ‒40 J. Sinal negativo, pois a energia deixa o sistema como 
trabalho. Portanto, a energia interna do sistema diminui.
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Quando um sistema troca energia apenas na forma de calor, q, a 
variação da energia interna (a energia total do sistema) é:
∆U = q
EM UM SISTEMA FECHADO, EM GERAL, A VARIAÇÃO DE ENERGIA 
INTERNA É:
∆U = q + w
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Em termodinâmica, calor é a energia transferida em consequência de uma 
diferença de temperatura.
A energia na forma de calor flui de:
uma região de 
temperatura alta 
uma região de 
temperatura baixa
Exemplo: se um sistema (cujas paredes não são isolantes térmicos) está 
mais frio do que a vizinhança, a energia flui da vizinhança para o sistema.
q = +10 J
∆U = +10 J
Sinal positivo, pois a energia entra no sistema como 
calor. Portanto, a energia interna do sistema aumenta.
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➢ Um processo que libera calor para a vizinhança é chamado de 
PROCESSO EXOTÉRMICO.
➢ Um processo que absorve calor da vizinhança é chamado de 
PROCESSO ENDOTÉRMICO.
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2Al(s) + Fe2O3(s) → 2Fe(l) + Al2O3(s)
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https://www.youtube.com/watch?v=o8gapa8ibK0
https://www.youtube.com/watch?v=CWMATrOatRw
https://www.youtube.com/watch?v=5uxsFglz2ig
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https://www.youtube.com/watch?v=IZaGmUGBdC0
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Ba(OH)2·8H2O(s) + 2NH4Cl(s) → BaCl2·2H2O(s) + 2NH3(aq) + 8H2O(l)
https://www.youtube.com/watch?v=NHOHKH3808c
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https://www.youtube.com/watch?v=NHOHKH3808c
CaCO3(s) + H2SO4(aq) → CaSO4(aq) + CO2(g) + H2O(l)
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Como converter mudança de temperatura em energia transferida como calor?
É preciso conhecer a capacidade calorífica, C,
de cada material.
Capacidade calor fornecido
calorífica elevação de temperatura
=
C
q
∆T
=
q = C ∆T
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q = C ∆T
A energia fornecida como calor é diretamente proporcional à variação da 
temperatura.
q = C ∆T
q = mCs∆T
m = massa da substância
Cs = capacidade calorífica específica
∆T = aumento da temperatura que ocorre em um processo
Sabendo-se isso, é 
possível conhecer a 
energia dada à 
substância na forma 
de calor.
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Quanta energia é necessária para aquecer 100 g de água, aumentando a 
temperatura de 20 °C até 100 °C.
q = mCs∆T
q = 100 g × 4,184 J K‒1 g‒1 × 80 K
q = +33 kJ
Obs.: a capacidade calorífica expressa em J (°C)‒1 g‒1 é numericamente 
igual à expressa em J K‒1 g‒1.
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A transferência de energia na forma de calor é medida com um calorímetro.
➢ Trata-se de um dispositivo no qual a energia transferida é monitorada pela 
variação da temperatura produzida por um processo em seu interior.
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∆U = q + w
Em um sistema fechado, a ÚNICA forma de mudar a energia interna é 
transferir energia para ele na forma de calor ou trabalho.
Se o sistema está isolado, NÃO É POSSÍVEL transferir energia, e a 
energia interna não pode mudar.
A energia interna de um sistema isolado é constante.
1ª LEI DA TERMODINÂMICA
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A ENERGIA INTERNA é uma função de estado.
O valor da energia interna depende somente do estado atual do sistema 
e não da maneira como o estado foi atingido.
100 g água a 25 °C
100 g água a 60 °C
100 g água (vapor)
100 g água a 60 °C
Condensação e 
resfriamento até
Aquecimento até
Aquecimento até 
fervura
∆U
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A ENERGIA INTERNA é uma função de estado.
Trabalho e calor NÃO são funções de estado. 
Dependem de como a mudança é produzida. Ou seja, dependem do 
caminho empregado.
A ENTALPIA é uma função de estado.
➢ Permite medir:
- as perdas de energia na forma de trabalho de expansão durante a 
transferência de calor em pressão constante.
- o ganho de energia na forma de trabalho de compressão ....
H = U + PV
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H = U + PV
U = energia interna
P = pressão do sistema
V = volume do sistema
São funções de estado
então
H = U + PV
também é uma função de estado
Assim, é possível inferir que a variação de entalpia de um sistema é igual 
ao calor liberado ou absorvido em pressão constante.
∆H = q
∆H = ‒q
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Zn(s) + I2(s) → ZnI2(s)
Reação exotérmica que (em pressão constante) libera 208 kJ de calor 
para a vizinhança por mol de ZnI2 formado.
Zn(s) + I2(s) → ZnI2(s) ∆H = ‒208 kJ
A entalpia desta reação diminuiu em 208 kJ.
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NH4NO3(s) → NH4
+(aq) + NO3
‒(aq)
H2O
A dissolução de nitrato de amônio absorve calor. 
Processo endotérmico.
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Em pressão constante:
Reações exotérmicas: ∆H < 0
Reações endotérmicas: ∆H > 0
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EXERCÍCIO
Em uma reação exotérmica sob pressão constante, 50 kJ de calor deixam o 
sistema na forma de calor e 20 kJ de energia deixam o sistema como 
trabalho de expansão.
(a) Qual o valor de ∆H desse processo?
(b) Qual o valor de ∆U desse processo?
q = ‒50 kJ
w = ‒20 kJ
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∆U = q + w(b)
∆U = ‒70 kJ
(a)
∆H = ‒50 kJ
∆H = ‒q Retomar slide 29
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A entalpia das transformações físicas
Nas mudanças de fase sólido para líquido, ou líquido para gás, as 
atrações intermoleculares são reduzidas.
FUSÃO
VAPORIZAÇÃO
REQUEREM ENERGIA. 
São processos endotérmicos.
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A entalpia das transformações físicas
Nas mudanças de fase líquido para sólido, ou gás para líquido, as 
atrações intermoleculares são aumentadas.CONDENSAÇÃO
SOLIDIFICAÇÃO
LIBERAM ENERGIA. 
São processos exotérmicos.
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Quando as transições de fase ocorrem, em pressão constante, a 
transferência de calor que acompanha a mudança de fase é igual à 
variação de entalpia da substância.
∆Hfus = entalpia de fusão
∆Hvap = entalpia de vaporização ∆Hvap = ∆Hm(vapor) ‒ ∆Hm(líquido)
variação de entalpia molar
∆Hfus = ∆Hm(líquido) ‒ ∆Hm(sólido)
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Todas as entalpias são positivas, então, por convenção, não é necessário escrever o sinal.
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∆Hvap = 44,0 kJ mol‒1
Água a 25 °C
➢ Significa que para vaporizar 1 mol de H2O(l), que corresponde a 18,02 g 
de água, em 25 °C e pressão constante, devemos fornecer 44,0 kJ de 
energia na forma de calor.
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Entalpia de solidificação: é a variação da entalpia molar quando um 
líquido se transforma em um sólido.
∆Hsol = ‒ ∆Hfus
Solidificação e fusão são processos inversos. Assim:
∆Hprocesso inverso = ‒ ∆Hprocesso direto
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Sublimação: conversão direta de um sólido em vapor.
∆Hsub = ∆Hm(vapor) ‒ ∆Hm(sólido)
∆Hsub = ∆Hfus + ∆Hvap
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