Energia: Definição e Transferência

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O que é a energia? 
Normalmente associamos energia a corpos em movimento
Do grego 
έν dentro, εργον trabalho
Derivada de reações químicas
Queima de combustíveis fósseis, baterias, formação de biomassa por fotossíntese.
Reações que envolvem alimentos e combustíveis liberam energia.
Fotossíntese: transforma energia solar em energia química
Processos químicos: além de gerar calor, realizam trabalho (acionar a ignição do carro)
ENERGIA
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Fontes de energia
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Energia cinética e potencial
Como a matéria pode POSSUIR energia e como esta pode ser TRANSFERIDA de uma parte da matéria para outra?
Energia cinética: energia de movimento
Ec = ½ mv2
 Átomos e moléculas têm massa e estão em constante movimento g possuem Ec
 Ec aumenta com o aumento da velocidade e da massa
IMPORTANTE !!!!!
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Energia potencial: em virtude da sua posição em relação a outros objetos e quando há uma força operando no objeto
Ep = mgh
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Energia eletrostática surge das interações entre partículas carregadas
É proporcional às cargas elétricas dos dois objetos que estão interagindo:
Eeletr = k Q1 Q2
		d
Quando Q1 e Q2 tem o mesmo sinal  repulsão g Eeletr +, qdo tem sinais contrários  atração g Eeletr -
Como átomos e moléculas são muito pequenos g gravidade é desprezível na maneira como eles interagem  Ep depende de outras forças.
Energia eletrostática
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Sistema e vizinhança
Sistema: parte do universo a ser estudada
Vizinhança: todo resto do universo
Sistema + vizinhança = universo
Ex: mistura de H2 com O2em um cilindro
2H2(g) + O2(g)  2H2O(g)
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Transferência de energia
Energia é transferida por tranferncia de massa, para causar o movimento de um objeto contra uma força (trabalho) ou para causar uma mudança de temperatura.
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Gás
F = P . A
dW = F . dX 
dX
dW = P . A . dX
Trabalho (w): Transferência de energia associada a uma força que age ao longo de uma distância
(-) negativo quando realizado PELO sistema
 Trabalho de compressão ou de expansão de um fluido mediante ao movimento de um pistão
Tipos de trabalho
Variação do volume
dW = P . dV
Eq. 2
W = F . d
dell - só relembrando....a parte que o processo ocorre é tido como sistema e o que não tiver incluido no sistema são as vizinhanças.
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Calor (Q): é a energia que se transfere através dos contornos (fronteira) de um sistema que interage com o ambiente, em virtude de uma diferença de temperatura.
 Calor transferido PARA o sistema
 Calor transferido DO sistema
(+)
(-)
LEMBRAR !!!!!
MAIOR
TEMPERATURA
MENOR
TEMPERATURA
TRANSFERÊNCIA DE CALOR
Tendência ao equilíbrio
Sistema
+
-
Vizinhança
Vizinhança
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IMPORTANTE !!!!!
O CALOR só pode ser identificado quando ATRAVESSA a fronteira do sistema.
Um corpo não contém calor
Calor é um fenômeno TRANSITÓRIO, ou seja, energia transferida atraves da fronteira do sistema
O Calor também é uma função de linha, uma diferencial inexata
Calor transferido em um dado processo de um estado 1 a um estado 2
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Comparação entre o Trabalho e o calor
 São ambos fenômenos transitórios
 Tanto o calor quanto o trabalho são fenômenos de fronteira
Sistema
+ Q
- W
+Q é o CALOR transferido ao sistema. -W representa o TRABALHO realizado pelo sistema
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A EXPERIENCIA DE JOULE
Joule pôde estabelecer uma relação entre o trabalho e a quantidade de energia transferida na forma de calor 
Adicionava energia na forma de trabalho e retirava na forma de calor
dell - Essas experiencias foram fundamentais para o entendimento da energia e portanto para a primeira lei da termodinamica.
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A EXPERIENCIA DE JOULE
A Energia Interna U
O que ocorre com a energia durante o intervalo de sua entrada e saída ????
Energia contida na água
É a energia das moléculas que constitui o corpo. Essa energia é devido ao movimento de translação, rotação e vibração das moléculas. 
ΔU = Uf - Ui
A energia total do sistema então seria = ΔU + ΔK+ ΔP 
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 A energia interna é uma função de estado; o seu valor depende apenas do estado presente do sistema, e é independente da forma como o sistema o atingiu
 A energia interna é uma propriedade extensiva. A alteração de uma variável de estado, origina uma variação em U
 A energia interna, calor e trabalho medem-se em Joule (J)
 1 J = 1 kg m2s-2
Depende do tamanho do sistema ou da quantidade de material que ele contem, ex. Massa, volume...
dell - Essas experiencias foram fundamentais para o entendimento da energia e portanto para a primeira lei da termodinamica.Isso porque ate agora tratavamos calor trabalho e energia interna separadamente e depois da experiencia de Joule foi possivel correlacionar essas energias e estabelecer a primeira lei da termodinamica.
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Calor liberado (Q < 0) ou trabalho realizado pelo sistema (w < 0)
 Calor adicionado (Q > 0) ou trabalho realizado no sistema (w > 0)
ΔU
ΔU
ΔU= Ufinal – Uinicial 
ΔU < 0  sistema perde energia para vizinhança
ΔU > 0  sistema ganha energia da vizinhança
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PRIMEIRA LEI DA TERMODINAMICA ESTABELECE QUE:
PRINCÍPIO DA 
CONSERVAÇÃO 
DA ENERGIA
Exemplo: um corpo em queda livre
Epotencial
Ecinética
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PRIMEIRA LEI DA TERMODINAMICA
Δ(energia do sistema) + Δ( energia da vizinhança) = 0
Mudanças finitas na quantidade de energia
 A energia pode ser transferida para o sistema ou de um sistema de tres formas: CALOR, TRABALHO ou por TRANSFERÊNCIA DE MASSA.
SISTEMA FECHADO Não há troca de massa 
Δ( energia da vizinhança) = ± Q ± W
dell - Da mesma forma de quando estabelecemos para trabalho e calor, na primeira lei da termodinamica a parte que o processo ocorre é tido como sistema e o que não tiver incluido no sistema são as vizinhanças.
dell - No sistema ou nas vizinhanças a variação de energia pode ocorrer devido a modificação da energia cinética, potencial e interna. Como visto anteriormente, AS INTERAÇÕES DE ENERGIA SÃO IDENTIFICADAS QUANDO ATRAVESSAM A FRONTEIRA DO SISTEMA. AS UNICAS FORMAS DE TRANF. ASSOCIADO A UMA MASSA FIXA OU A UM SISTEMA FECHADO É A TRANSFERENCIA DE CALOR E DE TRABAHO
dell - nESSE SISTEMA TODA A ENERGIA QUE PASSA ATRAVES DO SISTEMA E SUA VIZINHAÇA PELA FRONTEIRA, É EM FORMA DE CALOR OU TRABALHO E A ENERGIA DO SISTEMA PODE SER SUBSTITUIDA POR W E Q.
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Δ( energia da vizinhança) = ± Q ± W
ΔU + ΔK + ΔP = ± Q ± W
Se Δ(Energia do sistema) = ΔU + ΔK + ΔP 
Convencionalmente
ΔU + ΔK + ΔP = Q + W
ΔU = Q + W
dell - oa sistemas fechados sofrem frequentemente, processos que não provocam modificações das energias potencial e cinética externa, mas apenas alteração da sua energia interna. Dessa forma a primeira lei da termodinamica pode ser reduzida como:
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BALANÇO DE ENERGIA 
 Sistema fechado
Sistema
+ Q
- W
A massa permanece inalterada, mas o volume pode mudar
Δ( energia do sistema) = ± Q ± W
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 Sistema Aberto
 Troca matéria e energia com o exterior
W
Sistema aberto com 3 correntes de entrada 
E uma corrente de saída
Saem do sistema
Entram no sistema
Balanço de energia
dell - Se o volume aumenta ou diminui esse trabalho inclui aquele nescessário para empurrar a atmosfera adjacente
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 Sistema Isolado
 Não pode trocar nem matéria e nem energia com o exterior
ΔE= E inst.1 - E inst.2 
ΔU + ΔEP + ΔEC = 0
(U + EP + EC) inst.1 – (U + EP + EC) inst.2 = 0
Balanço de energia
dell - nesse sistema nada entra e nada sai nem massa nem calor e nem trabalho durante um intervalo de tempo T1 e T2 pode haver troca com a energia potencial, cinética e energia interna dentro do sistema, mas não com seus arredoresDessa forma a energia total do sistema permanece inalterada. para um sistema de massa m podemos equacionar
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Exemplo: na queima de H2 e O2 em um cilindro há a perda de calor de 1150 J para a vizinhança. A reação faz também que o êmbolo suba à medida que os gases quentes se expandem. Os gases em expansão realizam 480 J de trabalho na vizinhança à medida que pressiona a atmosfera. Qual a mudança de energia interna
do sistema?
Calor transferido: q < 0  q = -1150 J
Trabalho é realizado pelo sistema: w<0  w = -480 J
ΔU = Q + W
ΔU = (-1150) + (-480) 
ΔU = -1630 J 
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Calcule a variação da energia interna de um sistema em um processo em que ele absove 140 J de calor na vizinhança e realiza 85 J de trabalho na vizinhança
Suponha que um gás sofra uma expansão de 500 mL (0,5 L) contra uma pressão de 1,20 atm e não houve troca de calor com a vizinhança durante a expansão. a) Qual foi o trabalho realizado na expansão? b) Qual foi a mudança de energia interna do sistema?
Unidades
1L.atm = 101, 325 J
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Processos endotérmicos e exotérmicos
Absorção de calor pelo sistema: endotérmico
Calor flui da vizinhança para o sistema
Sensação de frio: calor passa da mão para o objeto
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Sistema emite calor: exotérmico
Calor flui do sistema para a vizinhança
Ex: reação de Al em pó e Fe2O3 ocorre violentamente para formar Al2O3 e ferro fundido
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CO2 + H2O  C6H12O6 + O2
Caminho da reação
Reação endotérmica
Reação exotérmica
C + O2  CO2 + energia
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Entalpia
Nas mudanças químicas que ocorrem à pressão constante quando nenhuma outra forma de trabalho além do trabalho PV é exercida, o fluxo de calor é medido pela função termodinâmica chamada entalpia (H)
H = U + PV
A ENTALPIA é uma função de estado que permite obter informações sobre as variações de energia a P constante
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Se uma mudança ocorre à pressão constante:
DH = D(U + PV)
DH = DU + P DV
Trabalho da expansão de um gás: w = -P DV
DH = DU – w 
DH = qp + w – w
DH = qp
qp é o calor à pressão constante
Se ΔU = Q + W
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ΔH é igual ao calor obtido ou despendido à uma pressão constante por uma mudança no sistema
Como calor é facilmente medido e as mudanças químicas de interesse ocorrem a pressão constante, a entalpia é uma função mais útil que a energia interna
Para a maioria das reações a diferença entre ΔH e ΔU é pequena, já que P ΔV é pequeno.
IMPORTANTE !!!!!!!
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VARIAÇÃO DA ENTALPIA
ΔH > 0
ΔH < 0
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Exercício: Indique o sinal de ΔH nos seguintes processos:
 Cubo de gelo derretendo
 Combustão do CH4
 Roupa secando
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Entalpias de reação
A entalpia de uma reação é dada por:
DH = DHprodutos – DHreagentes
Entalpia de reação ou calor de reação
2H2(g) + O2(g)  2H2O(g)	DHr = -483,6 kJ
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Diretrizes úteis sobre entalpia
Entalpia é uma propriedade extensiva: magnitude é diretamente proporcional à quantidade de reagente consumida no processo
Para
2H2(g) + O2(g)  2H2O(g)
Se 2 mol H2(g) são consumidos, ΔHr = -483.6 kJ
Se 4 mol H2(g) são consumidos, ΔHr = -967.2 kJ
2 x a quantidade envolvida na primeira reação
“entalpia da reação”
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2Mg(s) + O2(g)  2MgO(s)	ΔH = -1204 kJ
Qual a quantidade de calor envolvida na reação entre 2,4 g de Mg(s) e O2(g) à pressão constante?
			nMg = 2,4g/24,3g.mol-1 = 0,099 mol 
2 mols	-1204 KJ
0,099 mol		x
x = -59,6 kJ
Essa equação nos diz que 2 mols de Mg reage com 1 mol de O2 e libera 1204 de calor para as vizinhancas, para formar 2 mols de MgO
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DH de uma reação é igual em valores absolutos, mas oposta em sinais para o DH da reação inversa
CH4(g) + 2O2(g)  CO2(g) + 2H2O(l) DH = -890 kJ
CO2(g) + 2H2O(l)  CH4(g) + 2O2(g) DH = 890 kJ
 
Entalpias de reação
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2Mg(s) + O2(g)  2MgO(s)		DH = -1204 kJ
Quantos kilojoules são absorvidos quando 7,5 g de MgO(s) é decomposto em Mg(s) and O2(g) à pressão constante?
nMgO = 7,5g/40 g/mol = 0,19mol
2 mols 	+1204 kJ
0,19 mols		x
X = 114,4 kJ
2MgO (s)  Mg (s) + O2 (g) ΔH=+1204 kJ