Lei da Termodinâmica e Energia

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Primeira Lei da Termodinâmica
UNIFAVIP
Conteúdo
A Natureza da Energia
- Embora a química seja o estudo da matéria, sabemos que a energia afeta a 
matéria. 
- Energia é qualquer coisa que tenha a capacidade de realizar trabalho. 
Trabalho é a força atuando ao longo de uma distância. 
- Pode haver troca de energia entre objetos através do contato. colisões 
Conceitos
Termodinâmica
 Ramo da química que lida com os efeitos térmicos que 
acompanham as reações químicas. 
Medidas diretas e indiretas de calor. 
• No início, ocupou-se do estudo
dos processos que permitiam
converter calor em trabalho
calor força,
movimento
TERMODINÂMICA
Conceitos
Sistema termodinâmico – a porção particular do 
universo na qual desejamos focalizar os estudos ou 
análises.
vizinhança ou meio aquilo que é exterior ao sistema e 
com o qual o sistema pode, eventualmente, trocar energia 
e/ou matéria.
Fronteira Superfície fechada, real (uma parede, uma 
membrana, etc), que separa o sistema da sua vizinhança. A 
superfície desse volume de controle é chamada de 
superfície de controle.
Conceitos
Energia - resultado do movimento e da força gravitacional 
existentes nas partículas formadoras da matéria.
Calor - energia que flui de um sistema com temperatura 
mais alta para o outro com temperatura mais baixa.
Trabalho - deslocamento de um corpo contra uma força 
que se opõe a esse deslocamento.
É a troca de energia sem influencia de diferenças de 
temperatura.
Exemplos de Processos
- Processo Isobárico (pressão constante)
- Processo Isotérmico (temperatura constante)
- Processo Isocórico (isométrico) (volume constante)
- Processo Isoentálpico (entalpia constante)
- Processo Isoentrópico (entropia constante)
- Processo Adiabático (sem transferência de calor)
Propriedades Termodinâmicas 
São divididas em duas classes gerais, as intensivas e as 
extensivas.
Propriedade Extensiva
 Chamamos de propriedade extensiva àquela que depende 
do tamanho (extensão) do sistema ou volume de controle. 
Assim, se subdividirmos um sistema em várias partes (reais 
ou imaginárias). Por exemplo: Volume, Massa, etc.
Propriedade Intensiva
Ao contrário da propriedade extensiva, a propriedade 
intensiva, independe do tamanho do sistema. Exemplo: 
Temperatura, Pressão etc.
Exemplo de um sistema 
Classificação do Sistema
Podemos classificar qualquer sistema segundo suas interações com 
a vizinhança: 
sistema aberto → pode trocar matéria e energia com a 
vizinhança. 
Ex: corpo humano, motores de automóveis, etc. 
sistema fechado → pode trocar energia com a vizinhança, mas 
não matéria. Ex: bolsas de gelo usadas no tratamento de lesões de 
atletas, etc. 
sistema isolado → não pode trocar matéria nem energia com a 
vizinhança. Ex: café quente dentro de uma garrafa térmica, etc. 
Variáveis de Estado
P, V, T e H são chamadas de variáveis de estado ou 
funções de estado. 
São variáveis que têm o mesmo valor para qualquer 
“percurso”, desde que entre os mesmos estados extremos 
1 e 2 estas grandezas (tais como o volume, a pressão e a 
entalpia) cujas variações numa mudança de estado do 
sistema, dependem exclusivamente dos estados inicial e 
final da transformação e não do “percurso”, denominam–se 
variáveis de estado ou funções de estado.
Classificação do Sistema
Definições: Trabalho
Calor 
Definições
Classificação da Energia
Classificação da Energia
Lei da Conservação da Energia
Algumas Formas de Conservação de 
Energia
Unidades de Energia
Unidades de Energia
Conservação de Energia
Sistema: o material ou processo no qual estamos 
estudando variações de energia. 
Vizinhança: todo o resto do universo. 
O princípio da conservação da energia requer que a variação 
total de energia no sistema e na vizinhança seja zero.
 ΔEnergiauniverso = 0 = ΔEnergiasistema + ΔEnergiavizinhança 
Δ é o símbolo usado para variação: Quantidade final – quantidade 
inicial 
Energia Interna
Δ U = Ufinal – Uinicial 
•ΔUreação = Uprodutos - Ureagentes 
PRIMEIRO
Δ U = 0 
Primeira Lei da Termodinâmica
Em um sistema isolado a energia total permanece 
constante
Então, para um sistema isolado:
Diagrama de Energia
ΔU = +
ΔU = -
Fluxo de Energia
ΔU +
ΔU -
- ΔUSist. = Δuviz. Δusist. ΔuViz. 
Δusist. 
ΔuViz. 
Fluxo de Energia
ΔU +
ΔU -
ΔuViz. Δusist. 
ΔUSist. = - Δuviz.
Fluxo de Energia
ΔU = q + w
ΔU 
Variação de Energia Total de um Sistema
ΔU = q + w
ΔU 
“Quando a energia total de um sistema varia, essa variação 
aparece como trabalho ou calor, conforme equação abaixo”.
Fluxo de Energia
Fluxo de Energia
Capacidade Calorífica
Capacidade Calorífica
Capacidade Calorífica
Capacidade Calorífica
Tabela de Valores de Capacidade 
Calorífica
Capacidade Calorífica
Capacidade Calorífica
Calor de Reação
• O calor da reação em um sistema isolado causa uma variação 
na energia térmica do sistema. Isto leva a uma variação de 
temperatura. 
• Em um sistema não-isolado, a temperatura permanece 
constante e o calor é transferido para a vizinhança. 
Calor de Reação
Calor de Reação
Trabalho
Trabalho Pressão x Volume
Trabalho Pressão x Volume
EX1: Calcule o trabalho realizado pela reação química que realiza o 
movimento do pistão contra uma pressoo externa de 121k Pa, e volume 
de 75 cm3.
V = 75 cm3 = V = 7,5 X 10-5 m3
W = - Pext x V = -121 X 103 Pa X (7,5 X 10-5 m3) = - 9,075 Pa.m3
W = - 9,1 J
1Pa = 1 N . m-2
1J = 1 N . m
106 cm3 = 1,0 m3
Exemplo
EX1: Calcule o trabalho efetuado quando 50g de ferro reagem com ácido 
clorídrico produzindo hidrogênio gasoso :
a) Um vaso fechado de volume constane.
b) Num béquer aberto, a 25ºC.
A) Se não temos variação de volume, não haverá trabalho de expansão, 
seja qual for o processo, W = 0.
B) Se o sistema se expande contra uma pressão externa constante, pode 
ser calculado pela equação:
Pela equação da reação, Fe(s) + 2 HCl(aq) → FeCl2(aq) + H2(g), sabemos que se 
forma 1 mol de H2 para cada mol de Fe consumido; portanto, n pode ser igualado 
ao número de mols de Fe que reagem. Como a massa molar do Fe é 55,85 g mol–
Processo Isotérmico
Expansão isotérmica de um gás ideal – Um gás sofre uma expansão isotérmica 
(a temperatura constante) para uma temperatura T, enquanto o volume varia 
entre os limites V1 e V2. Qual o trabalho realizado pelo gás? 
V
nRT
P =
−=
f
i
V
V
dVPWrev int
De acordo com a equação do gás ideal: PV=nRT, assim:
Assim a equação do trabalho torna-se:
1
2ln
V
V
nRT
V
dV
nRTWrev
f
i
V
V
−=−= 
Para uma mudança reversível, isotérmica, nas condições de um gás i deal. 
Usando a lei de Boyle para os gases, podemos substituir Vf/Vi pelas 
pressões:
2
1ln
P
P
nRTW =
Considerando um processo reversível, 
onde: Pext = P int, então:
Assim podemos determinar o trabalho em um processo em termos da pressão 
interna:
VARIAÇÃO DA ENTALPIA COM A TEMPERATURA 
Trabalho de Expansão
Solução:
✓ Ex: Considere um gás ideal em uma câmara de pistão, como na figura abaixo, em que o 
volume inicial é de 2 L e a pressão iniciaç é de 8 atm. Considere que o pistão está subindo 
(isto é, o sistema está se expandindo) até um volume final de 5,50 L, contra uma pressão 
externa constante de 1,75 atm. Considere uma temperatura constante durante o processo.
a) Calcule o trabalho para o processo em J
b) Calcule a pressão final do gás
VV if
V −=
VPexW −= .
LV 5,325,5 =−=
atmLLatmW .13,6)50,3)(75,1( −=−=
W = -6,13 L.atm x 101,32 J = - 621 J 
 L.atm
Significa que 621 Joules foram perdidos 
pelo sistema durante a expansão.
b) Utilizando a lei de Boyle 
PI x VI = Pf x Vf 8 atm x 2 L = Pf x 5,5 L Pf = 2,91 atm 
Primeira Lei da Termodinâmcia
Funções de Estado
Calores de Reação 
Calores de Reação 
Calores de Reação 
Exemplos
1. São fornecidos 4,0 kJ de calor a uma quantidade de ar.
a) Calcule a variação da energia interna para o ar se: nenhum trabalho é realizado peloar; 
b) o ar se expande e realiza 0,5 kJ de trabalho; 
c) 1,0kJ de trabalho é realizado na compressão do ar ao mesmo tempo que ele é aquecido
w = 0
2. Imaginemos que, quando se enrola uma mola, se faça um trabalho de 100 J 
sobre ela, e que 15 J escapem para as vizinhanças, na forma de calor. A 
variação da energia interna da mola é:
ΔU = 100 J – 15 J = +85 J
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