Impressão Termodinamica Aula 04 Conceitos Básicos Sistemas UFAM

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Aula 04
B.1. Premissas Básicas
B2. Conceitos e Definições
FÍSICO-QUÍMICA I
B. Sistemas, Propriedades e B. Sistemas, Propriedades e 
Processos TermodinâmicosProcessos Termodinâmicos
Prof. Dr. Kelson Mota T Oliveira
B.1. CONCEITOS E PREMISSASB.1. CONCEITOS E PREMISSAS
? Premissa Básica:
?? Termodinâmica compreende as relaTermodinâmica compreende as relaçções ões 
entre matentre matééria e energia, na forma de calor, ria e energia, na forma de calor, 
que podem ser mensuradas visando alguma que podem ser mensuradas visando alguma 
aplicaaplicaçção.ão.
?? Trata especificamente:Trata especificamente:
?? calor e trabalho (q e w)calor e trabalho (q e w)
?? caractercaracteríísticas dos sistemassticas dos sistemas
?? propriedades dos fluidos termodinâmicospropriedades dos fluidos termodinâmicos
? Definição fundamental:
?? Conjunto de teorias fConjunto de teorias fíísicas e leis que tratam sicas e leis que tratam 
das transformadas transformaçções da matões da matééria e processos, ria e processos, 
nos quais anos quais a medida da energia tem papel tem papel 
fundamental.fundamental.
?? Em quEm quíímica tem seu foco voltado para as mica tem seu foco voltado para as 
energias envolvidas em um processo sem energias envolvidas em um processo sem 
entrar nos detalhes de estruturaentrar nos detalhes de estrutura
Clássica
Apenas aspectos 
macroscópicos são 
enfatizados
Estatística
Aspectos 
probabilísticos 
associados aos 
fenômenos são 
analisados
Processos 
irreversíveis
Processos fora do 
equilíbrio
? Aplicação Geral 
?? CCáálculo de grandezas flculo de grandezas fíísicas e qusicas e quíímicas que não podem ser micas que não podem ser 
diretamente medidas. diretamente medidas. 
?? HHáá três casos espectrês casos especííficos onde a termodinâmica tem aplicaficos onde a termodinâmica tem aplicaçção ão 
fundamental:fundamental:
?? BalanBalançço Material o Material 
?? BalanBalançço Energo Energééticotico
?? Estabelecimento de relaEstabelecimento de relaçções funcionaisões funcionais
B.1. PREMISSAS BB.1. PREMISSAS BÁÁSICASSICAS
? Aplicação Geral 
?? BalanBalançço Material o Material 
?? RelaRelaçções estequiomões estequioméétricas e de equiltricas e de equilííbriobrio
?? RelaRelaçção entre quantidades ponderais e variaão entre quantidades ponderais e variaçções energões energééticasticas
?? RelaRelaçção entre a quantidade de substâncias no equilão entre a quantidade de substâncias no equilííbrio, a brio, a 
constante de equilconstante de equilííbrio e o potencial qubrio e o potencial quíímicomico
A B
C
∆HAB
∆UCA ∆GBC
µ
B.1. PREMISSAS BB.1. PREMISSAS BÁÁSICASSICAS
? Aplicação Geral 
?? BalanBalançço Energo Energéético tico 
?? VariaVariaçções de energia em um processoões de energia em um processo
?? RelaRelaçção entre as etapas e as variaão entre as etapas e as variaçções energões energééticasticas
?? CaracterizaCaracterizaçção de um estado do sistema pelo reconhecimento ão de um estado do sistema pelo reconhecimento 
das variadas variaçções energões energééticas no processo analisadoticas no processo analisado
B.1. PREMISSAS BB.1. PREMISSAS BÁÁSICASSICAS
? Aplicação Geral 
?? Estabelecimento de relaEstabelecimento de relaçções funcionais ões funcionais 
?? Entre diversas propriedades do processoEntre diversas propriedades do processo
?? Massa e energia (calor, trabalho, entalpia, energia livre, etc)Massa e energia (calor, trabalho, entalpia, energia livre, etc)
?? Entre a vizinhanEntre a vizinhançça, a fronteira e o sistemaa, a fronteira e o sistema
?? CaracterizaCaracterizaçção das propriedades de contorno e como ão das propriedades de contorno e como 
influenciam no sistema estudadoinfluenciam no sistema estudado
SISTEMA
∆H ∆G ∆U
T P Vq m
B.1. PREMISSAS BB.1. PREMISSAS BÁÁSICASSICAS
? Sistema: parte do universo em estudoparte do universo em estudo
?? Composto de:Composto de:
? Estado do Sistema: situa: situaçção em que o mesmo se encontra.ão em que o mesmo se encontra.
?? EquilEquilííbrio e Estacionbrio e Estacionáário: uso de descritores: rio: uso de descritores: 
? Vizinhança ou Ambiente
? Universo: sistema + vizinhan: sistema + vizinhançça (ou sistema total)a (ou sistema total)
SISTEMA
Temperatura Temperatura 
PressãoPressão
VolumeVolume
Massa Massa 
DensidadeDensidade
Coord. CrCoord. Crííticasticas
etcetc
B.1. PREMISSAS BB.1. PREMISSAS BÁÁSICASSICAS
? Estados de Equilíbrio do Sistema: 
?? Estado em que o sistema não apresenta alteraEstado em que o sistema não apresenta alteraçção durante o perão durante o perííodo odo 
de observade observaççãoão
EquilEquilííbrio brio 
EstEstáávelvel
EquilEquilííbrio Metabrio Meta--
EstEstáávelvel
EquilEquilííbrio brio 
IndiferenteIndiferente
B.1. PREMISSAS BB.1. PREMISSAS BÁÁSICASSICAS
? Estado Estacionário do Sistema: 
?? Estado em que o sistema não estEstado em que o sistema não estáá em equilem equilííbrio, mas algumas brio, mas algumas 
varivariááveis apresentamveis apresentam--se constantesse constantes
?? Apresenta suas fronteiras abertasApresenta suas fronteiras abertas
Qual dos estados abaixo estQual dos estados abaixo estáá em estado estacionem estado estacionáário?rio?
Água sendo derramada 
à vazão constante
Satélite em órbita geo-
sincrônica
Gases dentro de um balão 
de recreio!
B.2. CONCEITOS E DEFINIB.2. CONCEITOS E DEFINIÇÇÕESÕES
? Mais Exemplos de Estados do Sistema
B.2. CONCEITOS E DEFINIB.2. CONCEITOS E DEFINIÇÇÕESÕES
Bebidas lBebidas lííquidas abaixo quidas abaixo 
do ponto de congelado ponto de congelaççãoão
? Paredes do Sistema 
?? São as fronteiras que separam o sistema de sua vizinhanSão as fronteiras que separam o sistema de sua vizinhançça.a.
? Diatérmicas –– permite fluxo de energia entre sistema e vizinhanpermite fluxo de energia entre sistema e vizinhanççaa
? Adiabáticas –– não hnão háá fluxo de energia (calor q=0)fluxo de energia (calor q=0)
? Rígidas –– mantêm volume constante em uma transformamantêm volume constante em uma transformaççãoão
? Permeáveis, Semipermeáveis, Impermeáveis –– permite o fluxo de permite o fluxo de 
matmatééria entre sistema e vizinhanria entre sistema e vizinhançça: total, parcial ou nuloa: total, parcial ou nulo
(a) Rígida (b) Diatérmica (c) Adiabática (d) Permeável
B.2. CONCEITOS E DEFINIB.2. CONCEITOS E DEFINIÇÇÕESÕES
? Paredes do Sistema
?? Quanto ao Fluxo de Calor Quanto ao Fluxo de Calor 
(a) Diatérmica (b) Adiabática
B.2. CONCEITOS E DEFINIB.2. CONCEITOS E DEFINIÇÇÕESÕES
? Paredes do Sistema
?? Quanto ao Volume Quanto ao Volume 
(a) Rígidas (b) Variáveis, Móveis ou Elásticas
B.2. CONCEITOS E DEFINIB.2. CONCEITOS E DEFINIÇÇÕESÕES
Permeável
Semipermeável
Impermeável
? Paredes do Sistema 
?? Quanto ao Fluxo de MatQuanto ao Fluxo de Matéériaria
B.2. CONCEITOS E DEFINIB.2. CONCEITOS E DEFINIÇÇÕESÕES
? Paredes do Sistema
Expansão de célula em solução 
com baixa concentração de 
soluto (solução hipotônica)
Célula normal em 
solução isotônica
Rompimento da membrana celular. 
Solução com grande concentração 
de soluto (solução hipertônica)
B.2. CONCEITOS E DEFINIB.2. CONCEITOS E DEFINIÇÇÕESÕES
? Paredes do Sistema - Resumo
B.2. CONCEITOS E DEFINIB.2. CONCEITOS E DEFINIÇÇÕESÕES
(b) Elástica (V variável)
(a) Rígida (∆V=0) (e) Permeável (fluxo m)
(f) Impermeável (∆m=0)
(c) Diatérmica (fluxo q)
(d) Adiabática (q=0)
(a) Sistema Aberto (b) Sistema Fechado (c) Sistema Isolado
Quanto Quanto ààs Fronteiras do Sistemas Fronteiras do Sistema
N ã
o é
a f e
t a d
o p
e l a
 
v i z
i n h
a n
ç a
! !
? Tipos de Sistema de acordo com a Fronteira 
? Sistema Aberto
?? Livre fluxo de matLivrefluxo de matééria e energia (calor)ria e energia (calor)
? Sistema Fechado
?? Apenas o fluxo de energia (calor) Apenas o fluxo de energia (calor) éé permitidopermitido
? Sistema Isolado
?? Não hNão háá fluxo de matfluxo de matééria ou energiaria ou energia
B.2. CONCEITOS E DEFINIB.2. CONCEITOS E DEFINIÇÇÕESÕES
? Tipos de Sistema de acordo com a fronteira 
?? Exemplos:Exemplos:
(a) Sistema Aberto (b) Sistema Fechado (c) Sistema Isolado
MATÉRIA
ENERGIA
ENERGIA
M A
T É
R I A M A
T É
R I A
E N
E R
G I
A
B.2. CONCEITOS E DEFINIB.2. CONCEITOS E DEFINIÇÇÕESÕES
? Quais os dois tipos de sistemas, e suas respectivas 
fronteiras/paredes, representados na imagem abaixo?
B.2. CONCEITOS E DEFINIB.2. CONCEITOS E DEFINIÇÇÕESÕES
? Funções de Estado
?? Grandezas utilizadas para descrever o sistema em Grandezas utilizadas para descrever o sistema em equilíbrio
? Descritores do sistema
?? Ao ser designado valores para algumas variAo ser designado valores para algumas variááveis de estado, os veis de estado, os 
valores de todas as demais ficam automaticamente fixadosvalores de todas as demais ficam automaticamente fixados
?? Independe do caminho escolhido na observaIndepende do caminho escolhido na observaçção do sistemaão do sistema
?? Ex: pressão, volume, temperatura, massa, nEx: pressão, volume, temperatura, massa, núúmero de mols, etcmero de mols, etc
Propr. Termodinâmica => Não varia com o tempo => Função de Estado
?? Quando o estado do sistema muda, a variaQuando o estado do sistema muda, a variaçção dos valores destas ão dos valores destas 
funfunçções ões só dependem dos estados inicial e final do sistemados estados inicial e final do sistema
?? Não importa como se processou a mudanNão importa como se processou a mudanççaa
∆∆XX = = XXfinalfinal ––XXinicialinicial
B.2. CONCEITOS E DEFINIB.2. CONCEITOS E DEFINIÇÇÕESÕES
? Funções de Estado
?? O Estado de qualquer sistema pode ser descrito por algumas O Estado de qualquer sistema pode ser descrito por algumas 
varivariááveis termodinâmicas. Quanto mais complexo for o sistema, veis termodinâmicas. Quanto mais complexo for o sistema, 
maior o nmaior o núúmero de varimero de variááveis descritoras.veis descritoras.
m = 94 Kgm = 94 Kg
T = 36.5 T = 36.5 ooCC
V = 200 mV = 200 m33
m = 94 Kg
T = 36.5 oC
V = 300 m3
(a) Estado 1 (b) Estado 2
B.2. CONCEITOS E DEFINIB.2. CONCEITOS E DEFINIÇÇÕESÕES
? Funções de Estado
?? Independem do caminho, somente dependem da diferenIndependem do caminho, somente dependem da diferençça entre a entre 
os estados inicial e finalos estados inicial e final
∆∆XX = X= XFF ––XXII
∆T
∆p
∆V
F
u
n
ç
õ
e
s
 
d
e
 
E
s
t
a
d
o
B.2. CONCEITOS E DEFINIB.2. CONCEITOS E DEFINIÇÇÕESÕES
? Funções de Estado e Equilíbrio
?? Uma funUma funçção de estado do sistema estão de estado do sistema estáá sempre ligado ao estado de sempre ligado ao estado de 
equilequilííbrio estbrio estáável.vel.
?? HHáá três estados de equiltrês estados de equilííbrio estbrio estáável:vel:
?? TTéérmico: sistema com temperatura homogênearmico: sistema com temperatura homogênea
?? Mecânico: sistema apresentando a mesma pressãoMecânico: sistema apresentando a mesma pressão
?? QuQuíímico: concentramico: concentraçção de cada componente ão de cada componente éé a mesma em cada ponto a mesma em cada ponto 
do sistema do sistema ?? composicomposiçção do sistemaão do sistema
?? Para Uma reaPara Uma reaçção quão quíímica podemica pode--se falar em mesmo potencial quse falar em mesmo potencial quíímicomico
Mesma Temperatura Mesma Pressão Mesma Concentração
30oC 30oC
B.2. CONCEITOS E DEFINIB.2. CONCEITOS E DEFINIÇÇÕESÕES
? Funções de Processo
?? Grandezas utilizadas para descrever as alteraGrandezas utilizadas para descrever as alteraçções no sistema ões no sistema 
durante um processodurante um processo
?? Depende do caminho escolhido na observaDepende do caminho escolhido na observaçção do sistemaão do sistema
?? Exemplo: calor (q) , trabalho (w) (elExemplo: calor (q) , trabalho (w) (eléétrico, mecânico, etc)trico, mecânico, etc)
D i s t â n
c i a d 1
D i s t â n
c i a d 2
D i s t â n
c i a d 3
? Note que:
∆d = dF –dI
? Entretanto o valor Entretanto o valor 
de de ∆∆d depende dos d depende dos 
valores iniciais e finais valores iniciais e finais 
(caminho d(caminho d11, d, d22, d, d33))
? Logo a distância Logo a distância 
aquiaqui não é uma uma 
funfunçção de estado!ão de estado!
B.2. CONCEITOS E DEFINIB.2. CONCEITOS E DEFINIÇÇÕESÕES
? Funções de Estado e Processo – Variações Infinitesimais
?? Quando se compara as variaQuando se compara as variaçções infinitesimais em funões infinitesimais em funçções de ões de 
estado e processo, utilizaestado e processo, utiliza--se uma notase uma notaçção matemão matemáática espectica especííficafica
?? Considere em um sistema :Considere em um sistema :
?? Sua Energia Interna (U)Sua Energia Interna (U)
?? FunFunçção de estadoão de estado
?? O Trabalho (w) e o Calor (q)O Trabalho (w) e o Calor (q)
?? FunFunçções de processo ões de processo 
?? Em alguns livros a funEm alguns livros a funçção de processo ão de processo éé simbolizada pelo delta simbolizada pelo delta 
minminúúsculo, indicando que sua integral não sculo, indicando que sua integral não éé exataexata
B.2. CONCEITOS E DEFINIB.2. CONCEITOS E DEFINIÇÇÕESÕES
wqdU δδ +=
PodePode--se falar em variase falar em variaçção (ão (∆∆) de uma fun) de uma funçção de estado (finita ou ão de estado (finita ou 
infinitesimal), mas não existe variainfinitesimal), mas não existe variaçção de uma funão de uma funçção de processo!!ão de processo!!
wqU +=∆ ⇐ Variação finita
⇓ Variação infinitesimal
? Calor e Temperatura
?? Tanto calor quanto temperatura são conceitos de difTanto calor quanto temperatura são conceitos de difíícil definicil definiççãoão
? Calor: Quantidade de energia que se conserva durante uma Quantidade de energia que se conserva durante uma 
transformatransformaçção ão ⇒⇒ fluxo de energia observadofluxo de energia observado
? Temperatura: a medida da intensidade desta quantidade de energia: a medida da intensidade desta quantidade de energia
?? SSóó pode ser medida experimentalmente quando dois corpos estão em pode ser medida experimentalmente quando dois corpos estão em 
contato e quando hcontato e quando háá fluxo de calorfluxo de calor
?? Nos informa o sentido do fluxo de calorNos informa o sentido do fluxo de calor
Um corpo de >T sempre perderá calor em contato com outro de <T: Equ. térmico
B.2. CONCEITOS E DEFINIB.2. CONCEITOS E DEFINIÇÇÕESÕES
? Calor e Temperatura: Lei Zero da Termodinâmica
“Se A está em equilíbrio térmico com B, e B está em equilíbrio 
térmico com C, então A e C estão em equilíbrio térmico”
? Na escala termodinâmica Na escala termodinâmica 
temos que:temos que:
T(K)= Θ(oC) + 273,15
B.2. CONCEITOS E DEFINIB.2. CONCEITOS E DEFINIÇÇÕESÕES
? Calor e Temperatura: Lei Zero da Termodinâmica
?? Principal aplicaPrincipal aplicaçção: termômetrosão: termômetros
?? A medida do fluxo de calor A medida do fluxo de calor éé sempre comparativa e não um valor sempre comparativa e não um valor 
intrintríínseco nseco àà substânciasubstância
B.2. CONCEITOS E DEFINIB.2. CONCEITOS E DEFINIÇÇÕESÕES
? Calor e Temperatura: Lei Zero da Termodinâmica
?? A medida do fluxo de calor A medida do fluxo de calor éé sempre comparativa e não um valor sempre comparativa e não um valor 
intrintríínseco nseco àà substância, uma vez que estsubstância, uma vez que estáá ligado ao conceito de ligado ao conceito de 
energia em trânsitoenergia em trânsito
B.2. CONCEITOS E DEFINIB.2. CONCEITOS E DEFINIÇÇÕESÕES
Em nosso planetaEm nosso planeta 
(temperatura m(temperatura méédia dia 
de 24de 24ººC) ele passaria C) ele passaria 
muito, muito frio!muito, muito frio!
Considere algum ser Considere algum ser 
alienalieníígena que vivesse em gena que vivesse em 
um planeta com um planeta com 
temperaturas mtemperaturas méédias em dias em 
torno de 200torno de 200ººCC