Introdução à Termodinâmica em Fármacia

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TERMODINÂMICA
FÁRMACIA 
Físico-Química Farmacêutica
PROFESSORA: EDINÉIA R. DA PAZ
• Termoquímica é a área da Termodinâmica 
que estuda a liberação ou absorção de 
calor em reações químicas ou em 
transformações de substâncias como 
dissolução, mudanças de estado físico,...
TERMODINÂMICA
• A ciência da Energia
– Formas e transformações de
energia
– Interações entre energia e
Matéria
• Energia: capacidade de
realizar mudanças; capacidade
de realizar trabalho.
• Do grego: therme : calor
dynamis: poder, força, trabalho
Nicolas Leonard
Sadi Carnot
(1796-1832):
O pai da
termodinâmica.
Desenvolveu o
raciocínio
termodinâmico
discutindo a 
eficiência
de máquinas
térmicas.
Em termodinâmica, o total de energia em 
um sistema é chamado de energia interna, 
U. A energia interna é o total de energia 
potencial e cinética das moléculas que 
compõe o sistema.
A energia interna (∆U) , o calor e o trabalho 
(W) são todos medidos na mesma unidade, 
o joule (J). Mudanças na energia interna 
molar são normalmente expressas em 
kilojoules por mol (kJ.mol-1). 
Primeira Lei da termodinâmica: A energia 
interna de um sistema é constante.
Segunda Lei da termodinâmica: A entropia 
de um sistema isolado tende a aumentar. 
Ou seja, todo processo espontâneo é 
irreversível. Alta entropia significa muita 
desordem, baixa entropia significa pouca 
desordem. 
Terceira Lei da termodinâmica: A entropia de 
um cristal perfeito tende à zero quando a 
temperatura absoluta tende a zero
Informações obtidas pelo estudo da 
termodinâmica:
•Previsão do comportamento das reações 
químicas e da estabilidade das substâncias 
envolvidas na reação:
•Prever se as reações ocorrem G (Energia 
Livre de Gibbs)
•Determinar com que extensão as reações 
ocorrem (K)
•Efeitos da T e P sobre as reações
•Determinar quantidades de calor liberada ou 
consumida nas reações químicas (H)
Sistema Termodinâmico: Parte do Universo em estudo.
Meio Ambiente termodinâmico: Tudo que pode interagir 
com o sistema.
Sistema aberto: pode trocar matéria e energia com o 
meio ambiente. Ex.: xícara de café (calor e vapor), 
Oceano
Sistema isolado: Não troca nem matéria nem energia 
com o meio ambiente. Ex.: garrafa térmica.
Sistema fechado: troca energia mas não matéria com o 
meio ambiente. Ex: estufa, frasco fechado.
Estado do sistema: é definido através de uma série de 
variáveis macroscópicas. Ex.: volume, massa, 
temperatura, composição química.
SISTEMAS E ESTADOS:
Tipos de FRONTEIRAS
Fronteiras Adiabáticas: não deixam passar calor
entre sistema e vizinhanças. Uma garrafa térmica, 
em rude
aproximação, é uma fronteira adiabática.
Fronteiras Diatérmicas: deixam o calor passar entre
sistema e vizinhanças. São permeáveis a troca de 
calor. Um erlenmeyer, por exemplo,(vidro,metal) é 
uma
fronteira diatérmica.
Fronteiras Permeáveis: deixam matéria (e calor)
passar entre o sistema e vizinhanças. A pele 
humana é um
bom exemplo.
Um sistema em equilíbrio termodinâmico é 
aquele no qual as variáveis macroscópicas 
não variam no tempo. Sistema em repouso.
PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA
•A energia total de um sistema é denominada de Energia 
Interna, representada por U e equivale a soma das 
energias potencial e cinética de todas as moléculas que 
compõem o sistema.
• a Energia Interna, U, não pode ser determinada, mas a 
sua diferença poder ser medida na forma de Trabalho (W) 
ou de calor (q) nas vizinhanças, por isso não se fala em 
determinação da energia interna de um sistema e sim da 
diferença de energia interna de um sistema, representada 
por:
∆U = q + W 
"Em todo processo natural, a energia do universo se 
conserva."
∆U = q + W
EXERCÍCIOS:
1) Imaginemos que, quando se enrola uma 
mola de relógio, se faça um trabalho de 100 
J sobre ela, e que 15 J de calor escapem 
para o ambiente. Qual a variação de energia 
interna da mola?
Processo: evolução do sistema de um
estado termodinâmico inicial para um 
estado
termodinâmico final.
Processo Isobárico: ocorre a p constante
Processo Isocórico (isométrico ou 
isovolumétrico):
ocorre a V constante
Processo Isotérmico: ocorre a T constante
Processo Isentrópico: ocorre a S constante
Processo Isentálpico: ocorre a H constante
Processo Adiabático: sem ganho ou perda de 
calor.
INSTRUMENTOS Termodinâmicos
Dois tipos básicos de instrumentos:
a) Instrumentos de Medida: servem
para nos dar informações sobre um
parâmetro do sistema. As vezes, de
forma indireta (lei zero).
b) Instrumentos Reservatórios:
servem para impor uma determinada
condição a um ou mais parâmetros do
sistema. A pressão atmosférica, por
exemplo, é um reservatório de
pressão. Um banho térmico é um
reservatório de temperatura.
PROCESSO IRREVERSÍVEL
Um processo é irreversível quando o sistema e todas 
as partes de sua vizinhança não conseguem voltar 
ao estado inicial. (Gás em uma montagem de um 
cilindro e pistão).
PROCESSO REVERSÍVEL
Um processo é dito reversível se o sistema e todas 
as partes da sua vizinhança puderem retornar 
exatamente ao estado inicial. (Gelo em água).
Trabalho
• Calor é o fluxo de energia 
movida por
uma diferença de temperatura
• TRABALHO é o fluxo de 
energia
motivado por qualquer outra 
força
motriz.
TRABALHO 
w =F.d
 
d 
lwl = lf.dl = lPexterna.A. dl/l = lPexterna.Vl
w = Pexterna.V
Geralmente , simplifica-se a escrita na forma :
w = -PV
•O calor é positivo quando a vizinhança é resfriada, caracterizando 
o escoamento para o sistema; 
•O calor é negativo quando uma determinada massa na 
vizinhança é aquecida, caracterizando escoamento do sistema.
•Trabalho feito pelo sistema sobre o meio ambiente. Por
convenção: trabalho de expansão, w<0
•Trabalho feito sobre o sistema pelo meio ambiente.Por
convenção: trabalho de compressão, w>0
É a pressão externa (e não a pressão do gás) quem determina o
trabalho feito sobre ou pelo sistema.
EXERCÍCIOS:
1. Um gás absorve 300 cal de calor ao se expandir, a pressão constante 
igual a 2 atm, de 10 para 20 L. Qual a variação da energia interna do gás 
?
2. Um sistema ganha 260kJ de energia na forma de calor e realiza 500kJ de 
trabalho. Qual é a variação da energia interna?
3. Calcule o trabalho para um sistema que absorve 150kJ de calor em um 
processo para o qual o aumento da energia interna é 120 kJ. O trabalho 
é realizado pelo sistema ou no sistema durante esse processo? 
MUDANÇA NO CONTEÚDO ENERGÉTICO 
(ENTALPIA)
• A energia utilizada ou produzida numa 
reação química é denominada entalpia da 
reação.
– A queima de 15 g de papel produz uma 
quantidade de energia térmica (calor) ou 
uma quantidade de entalpia.
• Entalpia é um valor que indica direção 
(energia sai ou energia entra)
– Ganho de calor  ENDO
– Liberação de calor  EXO
HEAT HEAT HEAT HEAT
• Classificação das reações químicas:
– Exotérmicas  reações que produzem calor 
(o calor gerado é um produto)
– Endotérmicas  reações que absorvem 
calor (o calor absorvido é um reagente)
• Reações exotérmicas aquecem os 
arredores 
– Devido calor liberado ao ambiente.
• Reações endotérmicas esfriam os 
arredores 
– Devido absorção de calor do ambiente.
1. ENTALPIA (H): É a energia total de um 
sistema medida à pressão constante.
Como não é possível medir a entalpia, 
mede-se a variação de entalpia ou calor de 
reação (∆H). 
ΔH = Hfinal - Hinicial
2. REAÇÃO EXOTÉRMICA: ∆H<O.
Libera calor. 
∆H= Hprodutos - Hreagentes 
Hprodutos < Hreagentes
É uma função de estado,então, para 
uma reação química:
∆G = ΣGprodutos –ΣGreatantes
No estado de equilíbrio, a variação de 
energia livre de Gibbs é nula
Então, no equilíbrio, ∆ transHo= T ∆
transSo
 ∆ G é um indicador de 
espontaneidade de um processo:
Se ∆ G é positivo, o processo não é 
espontâneo
Se ∆ G é zero, o processo está em 
equilíbrio termodinâmico
Se ∆ G é negativo, o processo é 
espontâneo.
Sistema Meio ambiente
Processo exotérmico: q<0
Calor 
Sistema Meio ambiente
Calor 
Processo endotérmico: q>0
Produtos
Reagentes
Produtos
Reação endotérmica
Reação exotérica
E
n
er
g
ia
 
In
te
rn
a 
(U
)
EXERCÍCIOS
1- Explique com suas próprias palavras o que pode ser entendido 
por:
Um processo exotérmico; um processo endotérmico; um processo 
isotérmico, um processo adiabático.
2- Para um certa reação a pressão constante, a energia interna é -
65 kJ e 28 kJ de trabalho de expansão é realizado pelo o sistema. 
Qual é a Entalpia para o processo?
3- Quando 1 mol de gelo funde a 0ºC e a pressão constante de 1 
atm, 1440 cal de calor são absorvidos pelo sistema. Os volumes 
molares do gelo e da água são 0,0196 e 0,0180 litros, 
respectivamente. Calcular a entalpia e a energia interna.
4- Para a reação do C(grafite) +1/2 O2  CO a 298 k e 1 atm, a 
entalpia é de –26.416 cal. Qual é o valor da energia interna se o 
volume molar do grafite é de 0,0053L?
5- Uma amostra de 1 mol de Ar se expande isotermicamente, a 0ºC, 
de 22,4L até 44,8L. (a) reversivelmente; (b) contra pressão externa 
constante e igual a pressão final do gás; (livremente contra pressão 
externa nula). Em cada caso calcular q, w, entalpia e energia livre. 
Tipos de calores de reação
Capacidades Caloríficas
Para uma dada substância, as quantidades experimentais que 
relacionam a mudança de temperatura T com a mudança de 
energia, são o calor específico e a capacidade calorífica.
Calor específico: a quantidade de q que é necessária para elevar 
em 1 K a temperatura de 1 grama de uma substância q = c.m.∆T
Tm
q
c


TCq 
T
q
C


onde T é a variação da temperatura do corpo de massa m ao receber 
ou perder a quantidade de energia q na forma de calor. O calor 
específico representa a quantidade de energia necessária para elevar de 
1 oC a temperatura de 1 g da substância considerada.
Capacidade calorífica: calor específico molar. Dependem das condições 
externas e da composição química. 
ou