Lista de exercícios 2ª Lei e equilíbrio de fases

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UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO
 DEPARTAMENTO DE AGROTECNOLOGIA E CIÊNCIAS SOCIAIS
	Disciplina: Físico-química 
	
	Professor: Gecílio Pereira daSilva
	 
	
	
	LISTA DE EXERCÍCIOS: 2ª LEI DA TERMODINÂMICA / EQUILÍBRIO DE FASES
Obs. Considere que todos os gases mencionados são perfeitos e que os dados valem a 298,15K a menos de observação em contrário. Considere R = 0,082 atmL mol-1K-1ou R = 8,314 J K-1mol-1 e base neperiana e = 2,71.
QUESTÕES SOBRE A 2ª LEI DA TERMODINÂMICA
1. Calcule ∆S (para o gás) quando 3,00 moles de um gás perfeito monoatômico com Cp,m = 5/2R, passam do estado a 25 oC e 1,00 atm para o estado a125 oC e 5,00 atm. Como se explica o sinal de ∆S?
[Resp. -22,1 J K-1]
2. Uma amostra de 3,00 moles de um gás perfeito diatômico, a 200 K, é comprimida reversível e adiabaticamente até a sua temperatura chegar a 250 K. Dado que Cv,m = 27,5 J K-1 mol-1, calcule q, w, ∆U, ∆H e ∆S.
[Resp. w = +4,1 kJ, q = 0, ∆U = +4,1 kJ, ∆H = + 5,4 kJ, ∆S = 0]
3. Um sistema sofre um processo no qual a variação de sua entropia é +2,41 J K-1. Durante oprocesso 1,00 kJ de calor é fornecido ao sistema, a 500 K. O processo é termodinamicamente reversível? Explique o seu raciocínio.
[Resp. O processo não é reversível]
4. Uma amostra de cobre (Cp,m = 24,44 J K-1mol-1), com 2,75 Kg de massa, é resfriada a pressão constante, de 330 K para 275 K. Calcule a) a energia que deve ser removida como calor e b) a variação de entropia da amostra.
[Resp. a) -58,2 kJ; b) -193 J K-1]
5. Uma amostra de nitrogênio gasoso, com 35 g de massa a 230K e 21,1 atm, expande-se isotermicamente até a pressão de 4,3 atm. Calcule a variação de entropia do gás .
[Resp. 17 J K-1]
6. Calcule a variação de entropia quando 25 g de etanol, a 50 oC, são despejados sobre 70 g de etanol, a 10 oC, em um vaso termicamente isolado. Sabe-se que Cp,m = 111,5 J K-1mol-1.
[Resp. 0,2 J K-1]
7. Calcule ∆H e ∆Stot quando dois blocos de cobre cada um com 10 kg de massa, um a 100 oC e outro a 0 oC, são colocados em contato térmico,em um vaso isolado. O calor específico do cobre é 0,385 J K-1g-1 e aproximadamente constante no intervalo de temperatura considerado.
[Resp. ∆H (total) = 0, ∆H(individual) = ± 1,9x102 kJ, ∆Stot = + 93,4 J K-1]
8. Um sistema é constituído por 2,0 moles de CO2 inicialmente a 25 oC e 10 atm, confinados em um cilindro de seção reta uniforme de 10,0 cm2, provido de um pistão móvel. O gás se expande adiabaticamente contra a pressão externa de 1,0 atm, até que o pistão se tenha deslocado 20 cm. Admitindo que o dióxido de carbono tenha comportamento de gás perfeito, com Cv,m = 28,8 J K-1mol-1. Calcule a) q, (b) w, (c) ∆U, (d) ∆T e (e) ∆S.
[Resp. (a) q = 0; (b) w = -20 J; (c) ∆U = -20 J; (d) ∆T = -0,35 K; (e) ∆S = + 0,60 J K-1.
9. A entalpia de vaporização do clorofórmio (CHCl3) é 29,4 Kj mol-1 no ponto de ebulição normal a 334,88 kJ mol-1. Calcule (a) a entropia de vaporização do clorofórmio nesta temperatura e (b) a variação de entropia nas vizinhanças do sistema.
[Resp. (a) +87,8 J k-1 mol-1; (b) -87,8 J K-1mol-1]
10. Calcule as variações de entropia do sistema, de suas vizinhanças e a variação total de entropia, quando uma amostra de 14 g de nitrogênio gasoso, a 298 K e 1,00 bar, duplica seu volume (a) em uma expansão isotérmica reversível, (b) em uma expansão isotérmica irreversível contra uma pressão externa pex = 0 e (c) em uma expansão adiabática reversível.
[Resp. (a) +2,9 J K-1, -2,9 J K-1, 0; (b) +2,9 J K-1, 0, +2,9 J K-1, (c) 0, 0, 0]
11. (a)Calcule a eficiencia do ciclo de Carnot de uma máquina térmica primitiva que opera com o vapor a 100 oC e descarrega a 60 oC. Repita o cálculo para uma turbina a vapor moderna que opera com vapor a 300 oC e descarrega a 80 oC.
[Resp. 0,11, 0,38]
QUESTÕES SOBRE EQUILÍBRIO DE FASES
Questões Teóricas 
(a) A partir do formalismo termodinâmico, discuta as implicações da variação da pressão (sob temperatura constante) e da temperatura (sob pressão constante) para o potencial químico e a estabilidade de uma fase. (b) É possível superaquecer acima da temperatura de ebulição ou super-resfriá-lo abaixo do ponto de congelamento sem que a fase termodinamicamente estável seja atingida. Sugira uma interpretação física para estes fenômenos.
A partir do diagrama de fases da água, descreva as variações que seriam observadas quando vapor de água a 1,0 atm e 400 K é resfriado a pressão constante até 260 K. Esboce a curva de resfriamento temperatura x tempo.
Explique a importância das equações de Clapeyron e Clausius-Clapeyron.
(a) O potencial químico do enxofre rômbico é zero e o do enxofre monoclínico é +33 kJ·mol-1, a 25°C. Qual a espécie polimórfica é mais estável nesta temperatura? (b) A densidade do enxofre rômbico é maior que a do monoclínico. Com a aplicação de pressão sob temperatura constante, pode-se esperar que a espécie mais estável seja outra?
Questões Numéricas
A pressão de vapor do diclorometano é 400 torr a 24,1°C e sua entalpia de vaporização é 28,7 kJ·mol-1. Estime a temperatura em que a pressão de vapor é de 500 torr.
[Dado: R = 8,31447 J·K-1·mol-1] 
[Resp.: 303 K (30°C)]
O volume molar de certo sólido é de 161,0 cm3·mol-1 no seu ponto de fusão, a 1,00 atm e 350,75 K. O volume molar do líquido é de 163,3 cm3·mol-1, no mesmo ponto. A 100 atm, a temperatura de fusão é de 351,26 K. Calcule a entalpia e a entropia de fusão do sólido.
[Resp.: ΔHfus = +16 kJ·mol-1, ΔSfus = +45,2 J·K-1·mol-1]
A pressão de vapor de um líquido entre 200 K e 260 K ajusta-se à expressão: ln(p/torr) = 18,361 – 3036,8/(T/K). Estime (a) a entalpia de vaporização e (b) a temperatura de ebulição normal do líquido.
[Resp.: ΔHvap = +25,25 kJ·mol-1, T = 260 K (-13°C)]
Quando o benzeno se congela a 5,5°C sob 1 atm de pressão, a densidade passa de 0,879 g·cm-3 para 0,891 g·cm-3. A entalpia de fusão da substância é 10,59 kJ·mol-1. Estime o ponto de congelamento da substância a 1.000 atm.
[Resp.: T = 281,8 K (8,7°C)]
Se a pressão de vapor de certo líquido é de 10 torr a 85,8°C e 40 torr a 119,3°C, calcule: (a) a entalpia de vaporização, (b) o ponto de ebulição normal e (c) a entropia de vaporização no ponto de ebulição.
[Resp.: ΔHvap = +49 kJ, T = 216°C, ΔSvap = +99 J·K-1·mol-1]
Calcule o ponto de fusão do gelo sob pressão de 50 bar, admitindo que a densidade do gelo nestas condições é 0,92 g·cm-3 e a da água líquida é 1,00 g·cm-3.
[Dado: ΔHfus = 6,008 kJ·mol-1 (25°C)] [Resp.: T = 272,80 K]
Que fração da entalpia de vaporização da água é consumida na expansão do seu vapor, a 1 atm e 25°C?
[Dado: ΔHvap = 44,016 kJ·mol​1 (25°C)]
[Resp.: 5,6%]
Questões Adicionais
Três vasos abertos contendo (a) água (pressão de vapor pH2O = 24 torr), (b) benzeno (pC6H6 = 98 torr) e (c) mercúrio (pHg = 1,7 mtorr) estão em um laboratório de 5,0 m x 5,0 m x 3,0 m, a 25°C. Qual a massa de cada substância na atmosfera do laboratório, assumindo que não haja ventilação?
[Resp.: (a) 1,7 kg, (b) 31 kg e (c) 1,4 g]
(a) Calcule a pressão de vapor de uma gotícula esférica de água, com raio de 10 nm, a 20°C. A pressão de vapor da água em uma grande massa, a 20°C, é 2,3 kPa e a sua densidade é 0,9982 g·cm-3. (b) Calcule a diferença de pressão da água entre as duas faces da superfície de uma gotícula esférica com raio de 200 nm, a 20°C.
[Dado:ϒ = 72x10-3 N·m-1] 
[Resp.: (a) 2,6 kPa, (b) 720 kPa]
Em Los Angeles, no mês de julho, a radiação da luz solar incidente ao nível do solo tem uma intensidade de 1,2 kW·m-2 ao meio dia (intensidade é potência por unidade de área, e potência é energia por unidade de tempo). Uma piscina com área superficial de 50 m2 está diretamente exposta ao Sol. Qual a taxa máxima de evaporação da água da piscina, admitindo que toda a radiação incidente é absorvida?
[Dado: ΔHvap = 44,016 kJ·mol-1 (25°C)] 
[Resp.: 25 g·s-1]