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TERMOQUÍMICA Disciplina de Química Geral – Licenciatura em Física (1o semestre 2015) Pires, AM. Profa. Dra. ANA MARIA PIRES Energia cinética e Energia potencial • Energia cinética é a energia do movimento. • Energia potencial é a energia que um objeto possui em virtude de sua posição. A energia potencial pode ser convertida em energia cinética. Por exemplo: Um mergulhador no topo de uma plataforma A natureza da energiaA natureza da energia Disciplina de Química Geral – Licenciatura em Física (1o semestre 2015) Pires, AM. Por exemplo: Um mergulhador no topo de uma plataforma http://201 2books.lar dbucket.or g/books/pr inciples- of- general- chemistry- v1.0/secti on_09/a0d 22f5e75d4 5b6d3a8e 174c7fd10 78b.jpg http://www.bsharp.org/physics/swings Energia cinética e Energia potencial • A energia potencial eletrostática, Ed, é a atração entre duas partícula com cargas contrárias, Q1 e Q2, a uma distância d entre si. • A constante κ = 8,99 × 109 J m/C2. • Se as duas partículas têm cargas opostas, Ed será a repulsão eletrostática entre elas. Disciplina de Química Geral – Licenciatura em Física (1o semestre 2015) Pires, AM. d QQEd 21κ= http://www.mundoeducacao.com/upload/conteudo/lei%20de %20coulomb.jpg Unidades de energia • A unidade SI para energia é o joule, J. • Algumas vezes utilizamos a caloria em vez do joule: 1 cal = 4,184 J (exatos) A natureza da energiaA natureza da energia Disciplina de Química Geral – Licenciatura em Física (1o semestre 2015) Pires, AM. • Uma caloria nutricional: 1 cal = 1.000 cal = 1 kcal Sistema e vizinhanças • Sistema: é a parte do universo na qual estamos interessados. • Vizinhança: é o resto do universo. A natureza da energiaA natureza da energia Disciplina de Química Geral – Licenciatura em Física (1o semestre 2015) Pires, AM. http://www.if.ufrgs.br/~leila/sistema.jpg A transferência de energia: trabalho e calor • Força (F) é uma tração ou uma compressão exercida em um objeto. • Trabalho (w) é o produto da força aplicada em um objeto em uma distância (d). A natureza da energiaA natureza da energia Fdw = Disciplina de Química Geral – Licenciatura em Física (1o semestre 2015) Pires, AM. • Energia (E) é o trabalho realizado para mover um objeto contra uma força. • Calor (q) é a transferência de energia entre dois objetos. • Energia é a capacidade de realizar trabalho ou de transferir calor. Fdw = Energia interna • Energia interna (E): é a soma de toda a energia cinética e potencial de um sistema. • Não se pode medir a energia interna absoluta. • Em Química estamos interessados geralmente na A primeira lei da termodinâmicaA primeira lei da termodinâmica Disciplina de Química Geral – Licenciatura em Física (1o semestre 2015) Pires, AM. • Em Química estamos interessados geralmente na variação de energia, ∆∆∆∆E. if EEE −=∆ A relação de ∆∆∆∆E a calor e a trabalho • A energia não pode ser criada ou destruída. • A energia (sistema + vizinhança) é constante. • Toda energia transferida de um sistema deve ser transferida para A A primeiraprimeira lei lei dada termodinâmicatermodinâmica 0=∆+∆ vizsis EE vizsis EE ∆−=∆ Disciplina de Química Geral – Licenciatura em Física (1o semestre 2015) Pires, AM. • Toda energia transferida de um sistema deve ser transferida para as vizinhanças (e vice-versa). • A partir da primeira lei da termodinâmica: quando um sistema sofre qualquer mudança física ou química, a variação obtida em sua energia interna, ∆∆∆∆E, é dada pelo calor adicionado ou liberado pelo sistema, q, mais o trabalho realizado pelo ou no sistema: wqE +=∆ A primeira lei da termodinâmicaA primeira lei da termodinâmica Disciplina de Química Geral – Licenciatura em Física (1o semestre 2015) Pires, AM. Exemplo Trabalho Mecânico Expansão ou Compressão de um Gás (Variação de Volume ∆V) contra uma pressão externa constante (ex: pressão atmosférica). O gás está num cilindro equipado com um êmbolo móvel, sem peso e sem atrito, para um dado volume, a certa P e T. O gás expandindo empurra o êmbolo para cima contra pressão atmosférica P. wFdd d FVP ==×=× 32 Disciplina de Química Geral – Licenciatura em Física (1o semestre 2015) Pires, AM. ∆V P P VPw ∆−= ∆V>0Expansão Compressão ∆V<0 d pressão volume Se P for igual a zero (expansão contra o vácuo), trabalho també é zero. Se P for positiva, o trabalho é –P∆∆∆∆V 1 L . atm = 101,3 J Exemplo: O volume de um gás aumenta de 2,0 L para 6,0 L, a temperatura constante. Calcule o trabalho realizado pelo gás se ocorrer sua (a) Expansão contra o vácuo (a) Contra uma pressão constante de 1,2 atm 0 )0,20,6)(0( = −−= ∆−= w Lw VPw Disciplina de Química Geral – Licenciatura em Física (1o semestre 2015) Pires, AM. J atmL J atmLw joulesparaConversão atmLw Lw VPw 2109,4 1 3,101 8,4 : 8,4 )0,20,6)(2,1( ×−= ⋅ ×⋅−= ⋅−= −−= ∆−= Processos endotérmicos e exotérmicos • Endotérmico: absorve calor da vizinhança. • Exotérmico: transfere calor para a vizinhança. • Uma reação endotérmica mostra-se fria. • Uma reação exotérmica mostra-se quente. A primeira lei da termodinâmicaA primeira lei da termodinâmica Disciplina de Química Geral – Licenciatura em Física (1o semestre 2015) Pires, AM. http://www.brasilescola.com/ upload/conteudo/images/pro cessos-exotermicos.jpg e processos-endotermicos.jpg Funções de estado • Função de estado: depende somente dos estados inicial e final do sistema, e não de como a energia interna é utilizada. A primeira lei da termodinâmicaA primeira lei da termodinâmica Disciplina de Química Geral – Licenciatura em Física (1o semestre 2015) Pires, AM. Funções de estado Disciplina de Química Geral – Licenciatura em Física (1o semestre 2015) Pires, AM. • As reações químicas podem absorver ou liberar calor. • No entanto, elas também podem provocar a realização de trabalho. • Por exemplo, quando um gás é produzido, ele pode ser utilizado para empurrar um pistão, realizando, assim, EntalpiaEntalpia Disciplina de Química Geral – Licenciatura em Física (1o semestre 2015) Pires, AM. utilizado para empurrar um pistão, realizando, assim, trabalho. Zn(s) + 2H+(aq) →→→→ Zn2+(aq) + H2(g) • O trabalho realizado pela reação acima é denominado trabalho de pressão-volume. EntalpiaEntalpia Disciplina de Química Geral – Licenciatura em Física (1o semestre 2015) Pires, AM. • Entalpia, H: é o calor transferido entre o sistema e a vizinhança realizado sob pressão constante. • Entalpia é uma função de estado. • Quando ∆∆∆∆H é positivo, o sistema ganha calor da vizinhança. • Quando ∆∆∆∆H é negativo, o sistema libera calor para a vizinhança. Disciplina de Química Geral – Licenciatura em Física (1o semestre 2015) Pires, AM. EntalpiaEntalpia vqE VPqE =∆ ∴ ∆−=∆ • Se uma reação química ocorre a volume constante, então ∆∆∆∆V = 0: • Onde qv é para lembrar que ocorre a volume constante • Se um processo ocorre a Pressão constante: Disciplina de Química Geral – Licenciatura em Física (1o semestre 2015) Pires, AM. • Se um processo ocorre a Pressão constante: VPEq VPqE wqE p p ∆+∆= ∆−=∆ +=∆ • Onde qp é para lembrar que ocorre a pressão constante VPEH constpressãoa PVEH PVEH ∆+∆=∆ ∆+∆=∆ += :. )( • Entalpia, H: Disciplina de Química Geral – Licenciatura em Física (1o semestre 2015) Pires, AM. • Se um processo ocorre a Pressão constante, qp = ∆∆∆∆H. • Se um processo ocorre a Volume constante, qv = ∆∆∆∆E A entalpia é uma propriedade extensiva (a ordem de grandeza do ∆H é diretamente proporcional à quantidade): CH4(g) + 2O2(g)→→→→ CO2(g) + 2H2O(l) ∆∆∆∆H = -890 kJ 2CH4(g) + 4O2(g) →→→→ 2CO2(g) + 4H2O(g) ∆∆∆∆H = −−−−1780 kJ EntalpiasEntalpias de de reaçãoreação • Quando invertemos uma reação, alteramos o sinal do ∆H: Disciplina de Química Geral – Licenciatura em Física (1o semestre 2015) Pires, AM. • Quando invertemos uma reação, alteramos o sinal do ∆H: CO2(g) + 2H2O(l) →→→→ CH4(g) + 2O2(g) ∆∆∆∆H = +890 kJ • A variação na entalpia depende do estado: H2O(g) →→→→ H2O(l) ∆∆∆∆H = -88 kJ )()()( reagentesprodutosreação HHH produtosreagentes −=∆ → Capacidade calorífica e calor específico • Calorimetria = a medição do fluxo de calor. • Calorímetro = o instrumento que mede o fluxo de calor. • Capacidade calorífica (C) = a quantidade de energia necessária para aumentar a temperatura de um objeto (em um grau). • Capacidade calorífica molar = a capacidade calorífica de 1 CalorimetriaCalorimetria Disciplina de Química Geral – Licenciatura em Física (1o semestre 2015) Pires, AM. • Capacidade calorífica molar = a capacidade calorífica de 1 mol de uma substância. • Calor específico (s) = a capacidade calorífica específica = a capacidade de calor de 1 g de uma substância. msC = • Onde m = massa em gramas tCq tmsq ∆= ∆= Calorimetria a pressão constante CalorimetriaCalorimetria Disciplina de Química Geral – Licenciatura em Física (1o semestre 2015) Pires, AM. “Isopor,” marca registrada de espuma de poliestireno estrudido fabricado pela The Dow Chemical Company • A reação é realizada a uma pressão constante da atmosfera. Bomba calorimétrica (calorimetria de volume constante) CalorimetriaCalorimetria Disciplina de Química Geral – Licenciatura em Física (1o semestre 2015) Pires, AM. da atmosfera. • Utiliza uma bomba calorimétrica. • Normalmente estuda a combustão. Calorímetro de bomba de Oxigênio Fogo Disciplina de Química Geral – Licenciatura em Física (1o semestre 2015) Pires, AM. http://resource.rockyview.ab.ca/t4t/chem30/mm/m1/bomb_calorimeter/page_3.html Copyright Rob Schurko, 2002-2007 Calorímetro de bomba de Oxigênio Bomba Disciplina de Química Geral – Licenciatura em Física (1o semestre 2015) Pires, AM. http://resource.rockyview.ab.ca/t4t/chem30/mm/m1/bomb_calorimeter/page_3.html Copyright Rob Schurko, 2002-2007 Aparato Calorímetro de bomba de Oxigênio Disciplina de Química Geral – Licenciatura em Física (1o semestre 2015) Pires, AM. Copyright Rob Schurko, 2002-2007 http://resource.rockyview.ab.ca/t4t/chem30/mm/m1/bomb_calorimeter/page_3.html Queima Calorímetro de bomba de Oxigênio Disciplina de Química Geral – Licenciatura em Física (1o semestre 2015) Pires, AM. Copyright Rob Schurko, 2002-2007 http://resource.rockyview.ab.ca/t4t/chem30/mm/m1/bomb_calorimeter/page_3.html Exemplo: Dada a equação termoquímica: Calcule o calor liberado quando 74,6 g de SO2 (massa molar = 64,07 g/mol) se convertem em SO3. Resposta: -115 kJ Exemplo:Calcule o calor liberado na combustão de 266 g de fósforo SO2(g) + 1/2O2(g) →→→→ SO3(g) ∆∆∆∆H = -99,1 kJ/mol Disciplina de Química Geral – Licenciatura em Física (1o semestre 2015) Pires, AM. Exemplo:Calcule o calor liberado na combustão de 266 g de fósforo branco (P4) em ar, de acordo com a equação:. Resposta: -6468 kJ P4(s) + 5O2(g) →→→→ P4O10(s) ∆∆∆∆H = -3013 kJ/mol Exemplo: Uma amostra de 466 g de água é aquecida de 8,50oC a 74,60oC. Calcule a quantidade de calor (em kJ) absorvida pela água. kJ CCCgJgq tmsq ooo 1 )50,860,74)(/184,4(466 −⋅= ∆= Disciplina de Química Geral – Licenciatura em Física (1o semestre 2015) Pires, AM. kJ J kJJq 129 1000 11029,1 5 =××= Exemplo: A massa de 1,435 g de naftaleno (C10H8) – uma substância de odor pungente usada como repelente de traças – foi queimada em uma bomba calorimétrica a volume constante. Em consequência, a temperatura da água elevou-se de 20,28oC para 25,95oC. Considerando que a capacidade calorífica da bomba mais a da água é 10,17 kJ/oC, calcule o calor de combustão do naftaleno em termos de mol, isto é, determine o calor molar de combustão. Disciplina de Química Geral – Licenciatura em Física (1o semestre 2015) Pires, AM. de mol, isto é, determine o calor molar de combustão. kJq CCCkJq tCq cal ooo cal cal 66,57 )28,2095,25)(/17,10( = −= ∆= Resposta: Supondo que nenhum calor é perdido para a vizinhança, o calor que a boma e a água absorvem é dado por: Como kJqqqqq reaçãocalreaçãocalsist 66,57,0 −=−==+= Disciplina de Química Geral – Licenciatura em Física (1o semestre 2015) Pires, AM. reaçãocalreaçãocalsist Esse calor liberado é equivalente a 1,435 g de naftaleno Sabendo que a massa molar do naftaleno = 128,2 g/mol, molkJcombustãodemolarcalor HmolC HgC HgC kJ combustãodemolarcalor /10151,5 1 2,128 435,1 66,57 3 810 10 810 ×−= =× − = • A lei de Hess: se uma reação é executada em uma série de etapas, o ∆H para a reação será igual à soma das variações de entalpia para as etapas individuais. • Por exemplo: CH4(g) + 2O2(g) →→→→ CO2(g) + 2H2O(g) ∆∆∆∆H = -802 kJ Lei de HessLei de Hess Disciplina de Química Geral – Licenciatura em Física (1o semestre 2015) Pires, AM. CH4(g) + 2O2(g) →→→→ CO2(g) + 2H2O(g) ∆∆∆∆H = -802 kJ 2H2O(g) →→→→ 2H2O(l) ∆∆∆∆H = -88 kJ CH4(g) + 2O2(g) →→→→ CO2(g) + 2H2O(l)∆∆∆∆H = -890 kJ Observe que: ∆∆∆∆H1 = ∆∆∆∆H2 + ∆∆∆∆H3 Lei de HessLei de Hess Disciplina de Química Geral – Licenciatura em Física (1o semestre 2015) Pires, AM. • Se 1 mol de composto é formado a partir de seus elementos constituintes, a variação de entalpia para a reação é denominada entalpia de formação, ∆∆∆∆Hof . • Condições padrão (estado padrão): 1 atm e 25 oC (298 K). • A entalpia padrão, ∆∆∆∆Ho, é a entalpia medida quando tudo está em seu estado padrão. EntalpiasEntalpias de de formaçãoformação Disciplina de Química Geral – Licenciatura em Física (1o semestre 2015) Pires, AM. • Entalpia padrão de formação: 1 mol de composto é formado a partir de substâncias em seus estados padrão. • Se existe mais de um estado para uma substância sob condições padrão, o estado mais estável é utilizado. • A entalpia padrão de formação da forma mais estável de um elemento é zero. Entalpias de formaçãoEntalpias de formação Disciplina de Química Geral – Licenciatura em Física (1o semestre 2015) Pires, AM. Utilização de entalpias de formação para o cálculo de entalpias de reação • Utilizamos a lei de Hess para calcular as entalpias de uma reação a partir das entalpias de formação. EntalpiasEntalpias de de formaçãoformação Disciplina de Química Geral – Licenciatura em Física (1o semestre 2015) Pires, AM. Disciplina de Química Geral – Licenciatura em Física (1o semestre 2015) Pires, AM. kJkJkJkJ OHHCHOHHCOHH of o f o f o f o r )0( 2 15)0,49[()]8,285(3)5,393(6[ )]( 2 15)(6[)](3)(6[ 26622 +−−+−= ∆+∆−∆+∆=∆ Exemplo: (a) Calcule a variação de entalpia para a combustão de 1 mol de benzeno, C6H6(l), em CO2(g) e H2O(l). C6H6(l) + 15/2O2(g) →→→→ 6CO2(g) + 3H2O(g) Disciplina de Química Geral – Licenciatura em Física (1o semestre 2015) Pires, AM. kJ kJ 267.3 )0,494,857361.2[( 2 = −−−= b) Compare a quantidade de calor produzido pela combustão de 1,00 g de propano com a produzida por 1,00 g de benzeno, sabendo que = -2.220 kJ para a combustão de 1 mol de propano. o rH∆ gkJgmolmolkJlHC gkJgmolmolkJgHC /8,41)1,78/1)(/267.3(:)( /3,50)1,44/1)(/220.2(:)( 66 82 −=− −=− Disciplina de Química Geral – Licenciatura em Física (1o semestre 2015) Pires, AM. Tanto o propano como o benzeno são hidrocarbonetos, e em geral, a energia obtida a partir da combustãode um grama de hidrocarboneto está entre 40 e 50 kJ. Alimentos • Valor de combustão = a energia liberada quando 1 g de substância é queimada. • 1 caloria nutricional, 1 cal = 1000 cal = 1 kcal. • A energia em nossos corpos vem de carboidratos e gorduras (principalmente). • Intestinos: carboidratos convertidos em glicose: Alimentos e combustíveisAlimentos e combustíveis Disciplina de Química Geral – Licenciatura em Física (1o semestre 2015) Pires, AM. • Intestinos: carboidratos convertidos em glicose: C6H12O6(s) + 6O2(g) →→→→ 6CO2(g)+ 6H2O(l), ∆∆∆∆H = -2803 kJ • As gorduras se quebram como se segue: 2C57H110O6 (s) + 163O2 (s) →→→→ 114CO2 (s) + 110H2O(l), ∆∆∆∆H = -75,520 kJ Alimentos • Gorduras: contêm mais energia; não são solúveis em água; portanto são boas para armazenagem de energia. Alimentos e combustíveisAlimentos e combustíveis Combustíveis • Em 2000 os Estados Unidos consumiram 1,03 × 1017 kJ de combustível. Disciplina de Química Geral – Licenciatura em Física (1o semestre 2015) Pires, AM. combustível. • A maior parte a partir do petróleo e do gás natural. • O restante a partir de carvão, usinas nucleares e hidroelétricas. • Os combustíveis fósseis NÃO SÃO RENOVÁVEIS. AlimentosAlimentos e e combustíveiscombustíveis Disciplina de Química Geral – Licenciatura em Física (1o semestre 2015) Pires, AM. Fontes de energia cosumidas nos Estados Unidos. Combustíveis • O valor de combustão = a energia liberada quando 1 g de subsância é queimado. • O hidrogênio tem grande potencial como combustível com um valor de combustão de 142 kJ/g. Disciplina de Química Geral – Licenciatura em Física (1o semestre 2015) Pires, AM. http://biophysics.sbg.ac.at/f uelcell/scans/efficiency.jpg Disciplina de Química Geral – Licenciatura em Física (1o semestre 2015) Pires, AM. O Toyota Mirai (Japanese for "future") 2015 é primeiro veículo movido a célula a combustível de hidrogênio a ser vendido comercialmente. O Mirai é baseado no conceito de carro Toyota FCV (Fuel Cell Vehicle) . Sem ainda incentivo do governo, nos EUA está cotado em US$57.500,00 Célula combustível para geração de energia elétrica (baterias) Disciplina de Química Geral – Licenciatura em Física (1o semestre 2015) Pires, AM.
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