Introdução à Termodinâmica Química

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Introdução à Termodinâmica Química
#### Objetivos da Aula:
1. Compreender os conceitos fundamentais da termodinâmica química.
2. Estudar as leis da termodinâmica e sua aplicação em sistemas químicos.
3. Analisar a energia livre de Gibbs e sua importância para a espontaneidade das reações químicas.
4. Explorar o conceito de entalpia e entropia.
### Conteúdo da Aula:
#### 1. Conceitos Fundamentais da Termodinâmica Química
- **Termodinâmica:** Ramo da física que estuda as relações entre calor, trabalho, temperatura e energia.
- **Sistema e Vizinhança:** Um sistema é a parte do universo que está sendo estudada, enquanto a vizinhança é tudo o que está fora do sistema.
- **Energia Interna (U):** Soma da energia cinética e potencial de todas as partículas no sistema.
#### 2. Leis da Termodinâmica
- **Primeira Lei da Termodinâmica (Lei da Conservação da Energia):** A energia não pode ser criada nem destruída, apenas transformada. A variação da energia interna (\(\Delta U\)) de um sistema é igual ao calor (\(Q\)) trocado com a vizinhança menos o trabalho (\(W\)) realizado pelo sistema: \(\Delta U = Q - W\).
- **Segunda Lei da Termodinâmica:** Em um processo espontâneo, a entropia total do universo sempre aumenta. A entropia (\(S\)) é uma medida da desordem ou dispersão de energia em um sistema.
- **Terceira Lei da Termodinâmica:** Afirma que a entropia de um cristal perfeito a 0 K (zero absoluto) é zero.
#### 3. Energia Livre de Gibbs
- **Definição:** A energia livre de Gibbs (\(G\)) é uma função termodinâmica que indica a capacidade de um sistema realizar trabalho útil. É dada pela equação \(G = H - TS\), onde \(H\) é a entalpia, \(T\) é a temperatura e \(S\) é a entropia.
- **Critério de Espontaneidade:** Uma reação é espontânea se a variação da energia livre de Gibbs (\(\Delta G\)) for negativa (\(\Delta G < 0\)). Se \(\Delta G = 0\), o sistema está em equilíbrio, e se \(\Delta G > 0\), a reação não é espontânea.
#### 4. Conceitos de Entalpia e Entropia
- **Entalpia (\(H\)):** Medida do conteúdo de calor de um sistema a pressão constante. A variação de entalpia (\(\Delta H\)) indica se um processo é endotérmico (\(\Delta H > 0\)) ou exotérmico (\(\Delta H < 0\)).
- **Entropia (\(S\)):** Medida da dispersão de energia em um sistema. Um aumento de entropia (\(\Delta S > 0\)) indica maior desordem no sistema.
### Questões para Praticar
1. **Conceitos Fundamentais da Termodinâmica Química:**
 - Defina sistema, vizinhança e energia interna no contexto da termodinâmica química.
 - O que é a energia interna de um sistema, e como ela se relaciona com as partículas que compõem o sistema?
2. **Leis da Termodinâmica:**
 - Explique a Primeira Lei da Termodinâmica e como ela se aplica a um processo de compressão de um gás em um cilindro.
 - Qual é a implicação da Segunda Lei da Termodinâmica para processos espontâneos?
3. **Energia Livre de Gibbs:**
 - Como a energia livre de Gibbs pode ser usada para prever a espontaneidade de uma reação química?
 - Calcule a variação da energia livre de Gibbs (\(\Delta G\)) para uma reação em que \(\Delta H = -200 \, \text{kJ/mol}\), \(\Delta S = 0,5 \, \text{kJ/(mol·K)}\) e \(T = 298 \, \text{K}\).
4. **Conceitos de Entalpia e Entropia:**
 - Diferencie entre processos endotérmicos e exotérmicos com base na variação de entalpia.
 - O que significa um aumento de entropia em um sistema, e como isso afeta a energia livre de Gibbs?
#### Resolução das Questões:
1. **Conceitos Fundamentais da Termodinâmica Química:**
 - Um sistema é a porção do universo que está sendo estudada (por exemplo, um gás em um cilindro), e a vizinhança é tudo ao redor do sistema. A energia interna é a soma das energias cinéticas e potenciais de todas as partículas no sistema, refletindo o estado energético do sistema.
 - A energia interna de um sistema é a soma de todas as formas de energia, incluindo energia cinética das partículas e energia potencial das interações entre elas.
2. **Leis da Termodinâmica:**
 - A Primeira Lei da Termodinâmica, ou conservação da energia, afirma que a variação da energia interna de um sistema é igual ao calor trocado com a vizinhança menos o trabalho realizado pelo sistema. Em um processo de compressão de um gás, a energia interna do gás aumenta se o trabalho é feito sobre o gás.
 - A Segunda Lei da Termodinâmica implica que processos espontâneos aumentam a entropia total do universo, o que significa que a desordem e a dispersão de energia tendem a aumentar naturalmente.
3. **Energia Livre de Gibbs:**
 - A energia livre de Gibbs é usada para prever a espontaneidade de uma reação: se \(\Delta G < 0\), a reação é espontânea; se \(\Delta G > 0\), não é espontânea.
 - Usando a fórmula \(\Delta G = \Delta H - T\Delta S\):
 \[
 \Delta G = -200 \, \text{kJ/mol} - (298 \, \text{K})(0,5 \, \text{kJ/(mol·K)})
 \]
 \[
 \Delta G = -200 \, \text{kJ/mol} - 149 \, \text{kJ/mol} = -349 \, \text{kJ/mol}
 \]
 A reação é espontânea (\(\Delta G < 0\)).
4. **Conceitos de Entalpia e Entropia:**
 - Processos endotérmicos absorvem calor da vizinhança (\(\Delta H > 0\)), enquanto processos exotérmicos liberam calor (\(\Delta H < 0\)).
 - Um aumento de entropia significa maior desordem no sistema. Isso geralmente favorece a espontaneidade de uma reação, diminuindo a energia livre de Gibbs.