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GASES IDEAIS: - LEI DE BOYLE-MARIOTTE: P V = cte Lei de Boyle-Mariotte onde: cte = f (T, n) 4 - LEI DE CHARLES E GAY-LUSSAC: Lei de Charles e Gay-Lussac sendo: cte = f (P, n) Relação entre as duas leis: Estado I Estado II Estado III → =cteT → =cteP Entre os estados I e II é válida a lei de Boyle: P V = cte → P1V1 = P3 V2 cte T V = P1, T1, V1, n1 P3, T1, V2, n1 P3, T3, V3, n1 5 Entre os estados II e III é válida a lei de Charles e Gay-Lussac: cte T V = → 3 3 1 2 T V T V = Portanto: 3 33 1 11 T VP T VP = Generalizando: cte T PV = onde: cte = f (n) EQUAÇÃO DE CLAPEYRON (equação de estado para um gás ideal) sendo: n = número de mols (quantidade de matéria) R → independe do sistema e de sua dimensão, ou seja, é uma constante universal S.I: [P] = Pa [V] = m3 [T] = K Valor da constante dos gases ideais: R = 0,08205 L atm K-1 mol-1 = 1,987 cal K-1 mol-1 = 8,314 J K-1 mol-1 P V = n R T 6 � OUTRAS FORMAS DE SE EXPRESSAR A EQUAÇÃO DE CLAPEYRON: sendo: m = massa M = massa molar N = número de moléculas (N = n Nav) Nav = número de Avogadro ρ = massa específica (ρ = m / V) P M = ρ R T k = constante de Boltzmann = R/Nav = 1,38x10-23 J K-1 moléc-1 Comportamento ideal dos gases: (i) as forças intermoleculares são nulas, exceto nas colisões moleculares; (ii) as colisões são elásticas; (iii) o volume ocupado pelas moléculas é desprezível em relação ao volume ocupado pelo gás. P V = N k T 7 � MISTURA DE GASES IDEAIS: P [M] = ρ R T [M] = Σ Mi yi = M1 y1 + M2 y2 + M3 y3 +... onde: yi = fração molar do gás i na mistura - LEI DE DALTON: Pressão parcial de um gás em uma mistura → é a pressão que o gás exerceria se estivesse puro ocupando o volume total V à temperatura T constante. Para uma mistura de 2 gases ideais: V RTnP 11 = V RTnP 22 = V nRTP = P1 + P2 = P ou P = Σ Pi 8 V RTnP ii = i i y P P = Pi = P yi V nRTP = - LEI DE AMAGAT: Volume parcial de um gás em uma mistura → é o volume que o gás ocuparia se estivesse puro à pressão P e temperatura T constantes. Para uma mistura binária ideal: P RTnV 11 = P RTnV 22 = P nRTV = V1 + V2 = V ou V = Σ Vi 9 P RTnV ii = i i y V V = Vi = V yi P nRTV = � COEFICIENTES TÉRMICOS: - Coeficiente de expansão térmica (α): PT V V 1 ∂ ∂ =α [α] = T-1 - Compressibilidade ou Coeficiente de compressibilidade (κ): TP V V 1 ∂ ∂ −=κ [κ] = P-1 10 - Coeficiente térmico de pressão (β): VT P P 1 ∂ ∂ =β [β] = T-1 � RESTRIÇÕES DA EQUAÇÃO DE CLAPEYRON: 1) A T = cte, para pressões muito elevadas, o volume do gás tende a zero. 2) A P = cte, para temperaturas muito baixas, o volume também tenderia a zero. 11 GASES REAIS Um gás real apresenta desvios em relação ao comportamento ideal (interações moleculares). � ISOTERMAS DE UM GÁS REAL: Curva AC → curva do vapor saturado ou curva do ponto de orvalho Curva BC → curva do líquido saturado ou curva do ponto de bolha Tc = temperatura crítica (maior temperatura em que líquido e vapor podem coexistir em equilíbrio) � REGIÃO CRÍTICA: Acima da Tc, existe apenas uma fase, independente da pressão do sistema. A substância a T > Tc está no estado fluido, onde não existe distinção entre líquido e vapor, ocorrendo total continuidade de estados. Ex: Isotermas do CO2 Transformação do ponto E E → GÁS EF → aquecimento isocórico FG → compressão isotérmica GH → resfriamento isocórico até uma temperatura < T H → LÍQUIDO Continuidade de estados: Em nenhum ponto ao longo da transformação coexistem L+V. 12 até o ponto H: isocórico até a temperatura T > Tc isotérmica resfriamento isocórico até uma temperatura < Tc Em nenhum ponto ao longo da transformação 13 ALGUNS VALORES DE COORDENADAS CRÍTICAS: Ref: Macedo, H. e Luiz, A. M.; Problemas de Termodinâmica Básica Física e Química; Ed. Edgard Blucher Ltda., 1976 14 � MODIFICAÇÕES NA EQUAÇÃO DE CLAPEYRON: 1ª) Evitar que − V= 0, quando T = 0 K ou quando P → ∞: b P RTV += − onde: b = constante, depende do gás P − V= R T + P b P ( − V - b) = RT bV RTP − = −2ª) Devido às forças de atração entre as moléculas, a pressão exercida pelo gás é menor que a esperada: Fonte: Chang, R.; Físico-Química para as Ciências Químicas e Biológicas, vol.1, Mc Graw Hill, 3ª Ed., 2008 (figura adaptada). A força de atração entre duas regiões do sistema será: Fa α c1 c2 ci = conc. de moléculas na região i (mols/volume) 15 Como as moléculas se distribuem de forma uniforme: c1 = c2 = c = n / V = 1 / − V Portanto: Fa α (1/ −V 2) → Fa = cte / −V 2 2 V a bV RTP − − − − = EQUAÇÃO DE VAN DER WAALS onde: a = cte, depende do gás Constantes de van der Waals: Gás a [L2 atm mol-2] b [L mol-1] CO2 3,592 0,04267 NH3 4,170 0,03707 H2O 5,464 0,03049 CH4 2,253 0,0428 H2 0,244 0,0266 He 0,03508 0,0237 Fonte: D. R. Lide, Handbook of Chemistry and Physics, 82 ed., CRC Press, 2001 16 � DETERMINAÇÃO DAS CONSTANTES DE VAN DER WAALS: No ponto crítico: 0 V P c T = ∂ ∂ − 0 V P c T 2 2 = ∂ ∂ − Equação de van der Waals: 2 V a bV RTP − − − − = 0 V a 2 )bV( T R V P 3 c _2 c _ c T c =+ − −= ∂ ∂ − 3 c _2 c _ c V a 2 )bV( T R = − (I) 0 V a 6 )bV( RT 2 V P 4 c _3 c _ c T 2 2 c =− − = ∂ ∂ − 17 4 c _3 c _ c V a 6 )bV( RT 2 = − (II) Dividindo (I) por (II): 3 V 2 bV c _ c _ = − 3 Vb c _ = Voltando a (I): 3 c _ 2 c _ c _ c V a 2 3 VV T R = − 3 c _ 2 c _ c V a 2 V 4 T R 9 = 8 V T R 9 a c _ c = 18 � COORDENADAS CRÍTICAS: b3Vc _ = R b 27 a 8Tc = 2c b 27 aP = � FATOR DE COMPRESSIBILIDADE (z) → indica o grau de desvio da idealidade em decorrência do efeito das forças intermoleculares. − − = idV V z P RTVid = − z = f (T, P) Portanto: P V = n z R T 8 3 T R V P z c c _ c c == Portanto, no ponto crítico os gases se comportam de forma semelhante. 19 _ c _ rr V VVV == − � COORDENADAS REDUZIDAS: T R V P z _ = c _ cc c T R V P z = c r _ rr z T V P z = � LEI DOS ESTADOS CORRESPONDENTES: Gases ou fluidos distintos, que estejam em estados caracterizados pelas mesmas coordenadas reduzidas, estão em estados correspondentes. Gás A → T1, P1, V1 Gás B → T2, P2, V2 A A c 1 r T TT = A A c 1 r P PP = B B c 2 r T TT = B B c 2 r P PP = Se Ar T = Br T e Ar P = Br P então: Ar V = Br V zA = zB A e B estão em estados correspondentes e se comportam de forma semelhante, pois se encontram em estados idênticos do ponto de vista de forças intermoleculares. c r P PP = c r T TT = 20 FATOR DE COMPRESSIBILIDADE EM FUNÇÃO DAS COORDENADAS REDUZIDAS: 21 22 � DIAGRAMA z VS P: TB = temperatura Boyle (comportamento ideal para uma faixa de pressões) � DETERMINAÇÃO DA TEMPERATURA BOYLE: 0 P z lim BTT0p = ∂ ∂ =→ Obedecendo a equação de van der Waals: RTbV V aP 2 = − + − − 23 RT V ab V aPbVP 2 _ _ _ =−+− 1 RTV ab RTV a RT Pb RT VP 2 _ _ _ =−+− RTV ab RTV a RT Pb1z 2 _ _ +−+= T 3 T 2 T P V VRT ab2 P V VRT a RT b P z ∂ ∂ − ∂ ∂ += ∂ ∂ − − − − Como na temperatura Boyle, o gás se comporta idealmente para uma faixa de pressões baixas: P − V= R T → − V=RT/P → P V P VP P RT p v 22 T −−− −=−=−= ∂ ∂ 24 −− −+= ∂ ∂ − − − −→ P V VRT ab2 P V VRT a RT b P z lim 32 T0p −−− → +−= ∂ ∂ V)PV)(RT( ab2 )PV()RT( a RT b P z lim T0p − → +−= ∂ ∂ V)RT( ab2 )RT( a RT b P z lim 22T0p Obs: p → 0 , − V→ ∞ 0 )RT( a RT b P z lim 2 BBTT0p B =−= ∂ ∂ =→ b R aTB = TB é específica para cada gás Como visto anteriormente: R b 27 a 8Tc = → 8 T 27 R b a c = → ccB T 375,3T8 27T == 25 � OUTRAS EQUAÇÕES DE ESTADO: � Berthelot (para pressões moderadas): RTbV V T aP 2 = − + − − a = 3 Pc − V c 2Tc b = − V c / 3 � Dieterici (próximo ao ponto crítico): −=− − − VRT a expRT)bV(P a = e 2 Pc − V c 2 b = −V c/2 � Redlich-Kwong (próximo ao ponto crítico): RTbV T)Vb (V aP = − + + − − − a = 3,846 Pc − V c cT b = − V c / 3,847 26 � Beattie-Bridgeman: − V = (RT/P + B) (1 - ε) – (A/RT) A = Ao [1- (aP/RT)] B = Bo [1- (bP/RT)] ε = (cP)/(RT4) � Equação virial (baseada na Mecânica Estatística): ... V 'C V 'B1 T R V P z ...CPBP1 T R V P z 2 _ 2 _ +++== +++== − − B, C,... = coeficientes viriais, dependentes de T B → mede a interação entre 2 moléculas C → mede a interação entre 3 moléculas 27 � MISTURA DE GASES REAIS: 1) Usando-se o fator de compressibilidade: P V = n zm RT zm = fator de compressibilidade da mistura Determinação do fator de compressibilidade da mistura: a) através da lei de Amagat aplicada a uma mistura de gases reais: P RTznV 111 = P RTznV 222 = P T R z nV m= V1 + V2 = P RTzn 11 + P RTzn 22 = )znzn( p RT 2211 + = V Generalizando: iiznP RTV Σ= 28 Como: V = n zm RT/P zm = Σ zi yi b) através da regra de Kay (estados pseudo-críticos): (PC)m = Σ yi Pci (Pr)m = P / (Pc)m zm (Tc)m = Σ yi Tci (Tr)m = T / (Tc)m 2) Usando a equação de van der Waals ou a equação de Redlich-Kwong: am = (Σ yi ai1/2)2 bm = Σ yi bi29 TERMODINÂMICA TERMODINÂMICA: movimento do calor. A Termodinâmica estuda as variações de energia que ocorrem no sistema, buscando relacioná-las com propriedades mensuráveis das substâncias que interagem nestas transformações. � LEI ZERO DA TERMODINÂMICA → princípio do equilíbrio térmico. Dois sistemas, inicialmente isolados, quando postos em contato através de uma parede condutora, atingem o equilíbrio térmico após algum tempo: Três sistemas, em que A e B estão em contato térmico e B e C também: Após algum tempo, verifica-se que os três sistemas estarão em equilíbrio térmico. LEI ZERO DA TERMODINÂMICA: “Dois sistemas que estão em equilíbrio térmico com um terceiro sistema, estão em equilíbrio térmico entre si”. P1, V1, T1 P2, V2, T2 A B C P’1, V1, T3 P’2, V2, T3 30 � CONCEITOS FUNDAMENTAIS: - ENERGIA → é a capacidade de realizar trabalho A energia total de um sistema é a energia interna (U). A energia interna absoluta de um sistema não é determinada. Pode-se, no entanto, medir a variação de energia interna quando um sistema passa de um estado inicial i com energia interna Ui para o estado final f com energia interna Uf. ∆U = Uf - Ui - CALOR → é a medida de transferência de energia térmica entre o sistema e a vizinhança. “Calor é a quantidade que escoa através da fronteira de um sistema, durante uma mudança de estado, devido à diferença de temperatura entre o sistema e sua vizinhança”. Direção da transferência de calor: q > 0: sistema recebe calor q < 0: sistema perde calor 31 - TRABALHO → é realizado quando um objeto é deslocado devido à aplicação de uma força. “Trabalho é qualquer quantidade que escoa através da fronteira de um sistema, durante uma mudança de estado, podendo ser convertida na elevação de uma massa na vizinhança” Convenção de sinal: w > 0: vizinhança realiza trabalho sobre o sistema (ex: compressão) w < 0: sistema realiza trabalho sobre a vizinhança (ex: expansão) 32 A forma mais comum de trabalho estudada pela termodinâmica básica envolve a variação de volume do sistema. A quantidade infinitesimal de trabalho que o sistema realiza sobre a vizinhança é dada por: dw = - Pext dV Pext = pressão externa dV = variação infinitesimal de volume Resumindo: - Na compressão (vizinhança realiza trabalho): dV < 0 → w > 0 - Na expansão (sistema realiza trabalho): dV > 0 → w < 0 Ao realizar trabalho sobre as vizinhanças, a energia interna do gás diminui. 33 CALOR vs TRABALHO: Na realização de trabalho: movimento ordenado das moléculas Na transferência de calor: movimento desordenado das moléculas � FUNÇÕES DE ESTADO: A função de estado é independente do caminho, depende apenas do estado do sistema. Ex: U → é uma função de estado q , w → não são funções de estado 34 Estado 1 Estado 2 →q dU → é uma diferencial exata, pois seu valor integrado é independente do caminho 12 2 1 UU U dU −=∆=∫ O calor é transferido devido à diferença de temperatura. Não existe um calor inicial ou calor final. qdq 2 1 =∫ 2 1 ∫dw = w dq e dw → são diferenciais não exatas e se integram em uma quantidade total Como energia, calor e trabalho estão relacionados entre si? Ex 1: Sistema → bécher com 10 g de água, a 1 atm e 25ºC Este sistema é imerso em um banho térmico de forma a elevar a temperatura a 35ºC → há escoamento de calor da vizinhança para o sistema. Obs: Quando uma quantidade de calor aparece na fronteira, a energia do sistema sofre variação. U1 U2 35 Ex 2: EXPERIÊNCIA DE JOULE → equivalente mecânico do calor Condição inicial do sistema: Pi , Ti O peso cai e a agitação da pá provoca o aumento da temperatura do sistema: Pf = Pi Tf > Ti Ocorre escoamento de trabalho, confirmado pela queda do peso na vizinhança ⇒ trabalho convertido em energia térmica. Obs: Quando uma quantidade de trabalho escoa entre o sistema e a vizinhança, a energia do sistema varia. 36 � TRABALHO DE EXPANSÃO: (a) Expressão geral do trabalho: dw = - Pext dV ∫−= f i V V extdVPw VÁLIDA TAMBÉM PARA COMPRESSÃO (b) Expansão livre: A expansão livre é a expansão contra uma força nula (Pext = 0). dw = 0 w = 0 Portanto, não há trabalho quando o sistema se expande livremente (ex: expansão no vácuo). 37 (c) Expansão contra pressão constante: Se Pext = cte: ∫−= f i V V ext dVPw = - extP (Vf – Vi) w = - Pext ∆V (d) Expansão reversível: Uma transformação é reversível se puder ser invertida pela modificação infinitesimal de uma variável. Ex: Um gás se encontra em um recipiente com pistão móvel, sendo a pressão externa (Pext) igual à pressão P do gás → o sistema está em equilíbrio mecânico com a vizinhança: 38 Em uma transformação termodinamicamente reversível. - se a pressão externa sofrer uma diminuição infinitesimal → o gás se expande infinitesimalmente - se a pressão externa sofrer um aumento infinitesimal → o gás se contrai infinitesimalmente Obs: Transformações que não sejam realizadas deste modo (ou não possam ser aproximadas deste modo) são chamadas de irreversíveis. (e) Expansão isotérmica reversível de um gás ideal: dw = - Pext dV Pext = P = n R T / V ∫ −=−= f i V V i f V VlnnRT V dV nRTw 39 Comparação entre os processos de expansão isotérmica reversível e irreversível: O trabalho efetuado por um gás ideal numa expansão isotérmica reversível é obtido pela área total subtendida pela isoterma P = nRT/V. O trabalho realizado na expansão irreversível, contra a mesma pressão final, é obtido pela área retangular. Portanto, o trabalho reversível é maior do que o irreversível. O trabalho máximo que se pode obter de um sistema que opera entre estados inicial e final definidos é o trabalho obtido no processo reversível. 40 EXPANSÃO EM ETAPAS: Ex: 1 mol de gás ideal P = 380 mmHg = 50650 Pa V = 48,8 L = 0,0488 m3 Considerando: Pext = cte = Pf 1º CASO → EXPANSÃO EM 1 ÚNICA ETAPA: w = - Pext ∆V = - 50650 Pa x (0,0488 – 0,0244) m3 w = -1235,86 J 41 2º CASO → EXPANSÃO EM 2 ETAPAS: Estado 0 Estado 1 Estado 2 P = 570 mmHg = 75975 Pa 1ª Etapa: Como o gás é ideal e o processo isotérmico, podemos aplicar a lei de Boyle: PoVo = P1V1 → (760 mmHg) x (24,4 L) = (570 mmHg) V1 → V1 = 32,5 L w1 = -Pext ∆V = - 75975 Pa x (0,0325 – 0,0244) m3 w1 = -615,4 J Trabalho referente à 1a etapa 2ª Etapa: w2 = -Pext ∆V = - 50650 Pa x (0,0488 – 0,0325) m3 w2 = -825,6 J Trabalho referente à 2a etapa 760 mmHg 24,4 L 298 K 570 mmHg V1 298 K 380 mmHg 48,8 L 298 K 42 wtotal = w1 + w2 = (-615,4) + (-825,6) wtotal = - 1441 J Conclui-se que o trabalho realizado em 2 estágios é maior do que o trabalho referente a 1 único estágio. � QUANTIDADE MÁXIMA DE TRABALHO: Como visto: Expansãoem 2 estágios → trabalho é maior do que em 1 único estágio Expansão em mais estágios → trabalho é ainda maior Qual seria a quantidade máxima de trabalho em uma expansão? 43 EXPANSÃO EM ESTÁGIOS: a) 2 estágios; (b) 3 estágios; (c) infinitos estágios TRABALHO MÁXIMO DE EXPANSÃO: Para um número infinitamente grande de etapas, é necessário um número infinitamente grande de retângulos para representar o trabalho. Neste caso, o trabalho total é obtido pela área hachurada da figura c: ∫−= fV iV extmáx dVPw 44 � TRABALHO DE COMPRESSÃO: P = 760 mmHg = 101300 Pa V = 48,8 L = 0,0488 m3 Considerando: Pext = Pf 1º CASO → COMPRESSÃO EM 1 ÚNICA ETAPA: w = - Pext ∆V = - 101300 Pa x (0,0244 – 0,0488) m3 w = 2471,7 J Obs: Como pode ser verificado, o trabalho de compressão é maior do que o trabalho efetuado na correspondente expansão. 45 2º CASO → COMPRESSÃO EM 2 ETAPAS: Estado 0 Estado 1 Estado 2 1ª Etapa: w1 = -Pext ∆V = - 75975 Pa x (0,0325 – 0,0488) m3 w1 = 1238,4 J 2ª Etapa: w2 = -Pext ∆V = - 101300 Pa x (0,0244 – 0,0325) m3 w2 = 820,5 J wtotal = w1 + w2 = 1238,4 + 820,5 wtotal = 2058,9 J Concluiu-se que o trabalho realizado em 2 estágios é menor do que o trabalho referente a 1 único estágio. 380 mmHg 48,8 L 298 K 570 mmHg 32,5 L 298 K 760 mmHg 24,4 L 298 K 46 � QUANTIDADE MÍNIMA DE TRABALHO: Compressão em 2 estágios → trabalho é menor do que em 1 único estágio Compressão em mais estágios → trabalho é ainda menor Qual seria a quantidade mínima de trabalho em uma compressão? COMPRESSÃO EM ESTÁGIOS: a) 2 estágios; (b) 3 estágios; (c) infinitos estágios (a) (b) (c) ∫−= f i V V extmín dVPw TRABALHO MÍNIMO DE COMPRESSÃO 47 � PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA Um sistema isolado não troca matéria ou energia com a vizinhança. Portanto, a energia total U do sistema não se altera. Esta constatação deu origem à PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA: “Em um sistema isolado, a energia total permanece constante”. A primeira lei pode ser expressa matematicamente: ∆U = 0 sistema isolado ou dU = 0 para uma mudança infinitesimal Usualmente, trabalha-se com sistemas que permitem a troca de matéria ou energia com a vizinhança. Verificou-se, experimentalmente, que sempre que a energia total de um sistema varia, essa diferença aparece como trabalho ou calor. Portanto, pode-se expressar a primeira lei da Termodinâmica como: dU = dq + dw ∆U = q + w PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA 48 � REVISÃO DE MATEMÁTICA: I) Diferencial exata e não exata: A diferencial exata independe do caminho percorrido durante uma modificação de estado do sistema. Uma diferencial exata integra-se numa diferença finita. 12 2 1 yyy dy −=∆=∫ y = função de estado (ex: U) Teorema: A variação total de qualquer propriedade de estado em um processo cíclico é zero, já que o sistema retorna ao estado inicial. ∫dy = 0 ∫ = integral cíclica A diferencial não exata depende do caminho. Uma diferencial não exata se integra em uma quantidade total. qdq 2 1 =∫ dq 2 1 ∫ dw = w 49 II) Diferencial total e derivadas parciais: A diferencial total de uma função f de duas variáveis (x,y) é escrita na forma: dy y fdx x fdf xy ∂ ∂ + ∂ ∂ = III) Regra cíclica: A diferencial total de uma função z = f (x,y) é: dy y zdx x zdz xy ∂ ∂ + ∂ ∂ = Sendo dz = 0: dy y zdx x z0 xy ∂ ∂ + ∂ ∂ = Dividindo por dy: xzy y z y x x z0 ∂ ∂ + ∂ ∂ ∂ ∂ = 50 Multiplicando por (∂y/∂z)x: 1 z y y x x z0 xzy + ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ = 1 x z z y y x yxz −= ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ REGRA CÍCLICA Ex: 1 P V V T T P TPv −= ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ IV) Relação entre as derivadas parciais de uma diferencial exata: Sendo df uma diferencial exata, de forma que: df = g(x,y) dx + h(x,y) dy Existe a seguinte relação entre as derivadas parciais: yx x h y g ∂ ∂ = ∂ ∂ 51 � ENERGIA INTERNA EM FUNÇÃO DAS VARIÁVEIS DE ESTADO: A diferencial total de uma função de estado é a soma da derivada da função em relação a cada uma de suas variáveis. Para a energia interna, teremos: U = f (T, V) dV V UdT T UdU TV ∂ ∂ + ∂ ∂ = 1o 2o onde: 1° termo → variação de energia resultante apenas da variação de temperatura 2° termo → variação de energia resultante apenas da variação de volume Como visto anteriormente: dU = dq + dw dw = - P dV dV V UdT T UPdVdq TV ∂ ∂ + ∂ ∂ =− 52 Se o sistema gasoso sofrer uma mudança de estado em que não haja variação de volume: V = cte → dV = 0 dT T Udq V ∂ ∂ = Definindo: onde: CV é a capacidade calorífica a volume constante do sistema (propriedade extensiva) (CV / n) = − VC → capacidade calorífica molar (propriedade intensiva, tabelada) Portanto, quando o volume do sistema mantém-se constante: dU = dq + dw dU = dq = CV dT dq = Cv dT V v T UC ∂ ∂ = 53 Integrando: ∆U = q = ∫ 2 1 T T V dT C Como o processo ocorre a volume constante, é comum se utilizar a seguinte nomenclatura: ∆U = qv PROCESSO ISOCÓRICO Neste caso, podemos medir os valores de q diretamente e obteremos o valor de ∆U. Para uma faixa estreita de temperaturas, pode-se considerar CV constante: ∆U = CV ∆T ou ∆U = n − VC ∆T 54 � EXPERIÊNCIA DE JOULE → expansão livre de um gás visando determinar a derivada (∂U/∂V)T. Seja um sistema isolado no qual um gás ideal está em uma câmara. A válvula é aberta e o gás se expande no vácuo. Para este processo: dw = 0 dU = 0 dq = 0 Como visto anteriormente: dV V UdT T UdU TV ∂ ∂ + ∂ ∂ = 55 Então: dV V UdT T U0 TV ∂ ∂ + ∂ ∂ = Ao realizar o experimento, Joule não verificou diferença de temperatura antes e após a abertura da torneira (dT = 0): dV V U T ∂ ∂ = 0 Como dV ≠ 0: TV U ∂ ∂ = 0 PARA GASES IDEAIS Conclui-se, então, que a energia interna de um gás ideal é função apenas da temperatura. A equação anterior é um dos dois critérios para um gás ser considerado ideal: (a) obedecer a equação de Clapeyron; (b) ter uma energia interna que não varia se a temperatura do gás se mantiver constante. Obs: Para os gases reais, a energia total varia com o volume, devido às interações entre as moléculas. 56 � ENTALPIA: A entalpia (H), é uma função de estado e sua definição é: H ≡ U + PV dH = dU + d(PV) dH = dU + P dV + V dP Para um processo à pressão constante (muito usual em laboratórios): dH = dU + P dV dH = dq + dw + PdV dH = dq - PdV + PdV dH = dq ∆H = q 57 Como o processo ocorre à pressão constante, é comum se utilizar a seguinte nomenclatura: ∆H = qp PROCESSO ISOBÁRICO Como muitos experimentos são conduzidos à pressão constante, a variação de entalpia em um processo é geralmente mais fácil de ser determinada do que a variação da energia interna. Usando o mesmo raciocínio desenvolvido para a energia interna, podemos expressar a diferencial total da entalpia como: H = f (T, P) dP P HdT T HdH TP ∂ ∂ + ∂ ∂ = Para o processo isobárico (dP = 0): dT T HdH P ∂ ∂ = Definindo capacidade calorífica a pressão constante, Cp, de forma semelhante a Cv. P P C T H = ∂ ∂ 58 dH = Cp dT Integrando: ∆H = ∫ 2 1 T T p dT C Para uma faixa estreita de temperaturas, pode-se considerar Cp constante: ∆H = Cp ∆T ou ∆H = n − pC ∆T Para o gás ideal: TP H ∂ ∂ = 0 PARA GASES IDEAIS 59 � EXPERIÊNCIA DE JOULE-THOMSON: Joule e Thomson acompanharam a variação de temperatura provocada pela expansão de um gás através de uma barreira porosa (A). O sistema era termicamente isolado, ou seja, o processo era adiabático (q = 0). A expansão adiabática produziu um resfriamento do sistema, sendo a diferença de temperatura entre os dois lados da barreira proporcional à diferença entre as pressões EFEITO JOULE-THOMSON. Neste processo: - do lado esquerdo: trabalho é realizado sobre o sistema (o primeiro pistão empurra o gás até a barreira) - do lado direito: o sistema realiza trabalho (o gás empurra o segundo pistão) O trabalho líquido wliq será: wliq = Pi Vi – Pf Vf 60 Como o sistema é adiabático, q = 0. Então: dU = dq + dw → ∆U = wliq Uf – Ui = Pi Vi – Pf Vf Rearranjando: Uf + Pf Vf = Ui + Pi Vi A expressão (U + PV) é igual à entalpia (H): Hi = Hf → ∆H = 0 PROCESSO ISOENTÁLPICO A variação de temperatura que acompanha a queda de pressão neste processo isoentálpico é obtida pelo coeficiente de Joule-Thomson (µJT): H JT P T ∂ ∂ =µ COEFICIENTE DE JOULE-THOMSON Algumas vezes a expressão é aproximada para: H JT P T ∆ ∆ ≈µ 61 - Coeficiente de Joule-Thomson: µJT > 0 T ≤ Tamb Para todos os gases, com exceção do H2 e do He (estes 2 gases se aquecem após esse tipo de expansão). O efeito JT se aplica no processo de liquefação de gases: o gás é repetidamente comprimido e expandido, diminuindo sua temperatura continuamente até a sua condensação. Temperatura de inversão JT: temperatura característica de cada gás acima da qual, µJT se torna negativo. Obs: Um gás deve estar abaixo de sua temperatura de inversão para que seja liquefeito. A temperatura de inversão da maioria dos gases é muito mais alta que a temperatura ambiente. No entanto, as temperaturas de inversão do H2 e do He são muito baixas (cerca de 202 K e 40 K, respectivamente) e eles têm de ser bastante pré-resfriados para que ocorra o efeito JT e estes possam ser liquefeitos. 62 � RELAÇÃO ENTRE Cv E Cp dV V UdTCdU T V ∂ ∂ += PdVdqdV V UdTC T v −= ∂ ∂ + dU = dq – P dV dqdVP V UdTC T v = + ∂ ∂ + Se P = cte: p T v dqdVPV UdTC = + ∂ ∂ + Dividindo ambos os lados da equação por (dT): PPT v T q T VP V UC ∂ ∂ = ∂ ∂ + ∂ ∂ + 63 Como visto anteriormente: dH = dqp p pP C T H T q = ∂ ∂ = ∂ ∂ Cp = PT H ∂ ∂ P PT v CT VP V UC = ∂ ∂ + ∂ ∂ + Da experiência de Joule, verificou-se que: TV U ∂ ∂ = 0 PARA GASES IDEAIS Para um gás ideal: P V = n R T P nR T V P = ∂ ∂ 64 Chega-se a: Cp = Cv + nR Usando as quantidades molares: − Cp = − VC + R PARA GASES IDEAIS Para um gás ideal monoatômico: − VC = 3/2 R = 12,471 J K -1 mol-1 − Cp = 5/2 R = 20,785 J K-1 mol-1 Os gases ideais têm uma capacidade calorífica independente da temperatura, já os gases reais não. Esta pode ser expressa por uma série de potências: Cp = a + b T + c T2 + d T3 Outra quantidade útil é a razão entre as capacidades caloríficas CP e CV: V P C C =γ γ > 1 sempre Obs: PARA LÍQUIDOS E SÓLIDOS: CP ≈ CV 65 � ALGUMAS TRANSFORMAÇÕES TERMODINÂMICAS PARA OS GASES IDEAIS: a) Transformação Cíclica: Transformação cíclica ou ciclo de um sistema é o conjunto de transformações sofridas pelo sistema, sendo que seus estados final e inicial são idênticos. 0UdU =∆=∫ 0HdH =∆=∫ b) Transformação Isotérmica: Como a temperatura do sistema se mantém constante, a variação da energia interna para o gás ideal é nula. dV V UdT T UdU TV ∂ ∂ + ∂ ∂ = → ∆U = 0 dU = dq + dw → q = - w Portanto, a quantidade de calor que o gás ideal recebe em um processo isotérmico é exatamente igual ao trabalho por ele realizado. 66 c) Transformação Isométrica ou Isocórica: Como o volume do sistema se mantém constante, não há realização de trabalho. w = 0 dU = dq + dw → ∆U = qv Portanto, o calor trocado com a vizinhança provoca variação na energia interna do sistema. d) Transformação Isobárica: Como a pressão permanece constante: H ≡ U + PV dH = dU + P dV + V dP dH = dq + dw + PdV dH = dq -PdV + PdV ∆H = qp 67 e) Transformação Adiabática: q = 0 dU = dw dV V UdTCdU T v ∂ ∂ += dU = Cv dT = dw ∫= f i T T vdTCw Se a capacidade calorífica forconstante: w = Cv ∆T = n − VC ∆T Portanto, o trabalho efetuado na expansão adiabática de um gás ideal é proporcional à diferença de temperatura entre os estados final e inicial. Um tipo importante de expansão adiabática é a expansão adiabática reversível, na qual a pressão externa é equilibrada pela pressão interna ao longo de todo o processo. 68 e.1) Transformação Adiabática Reversível: Para o processo adiabático: dw = - Pext dV - Pext dV = n − VC dT dw = n − VC dT Para o processo adiabático reversível com gás ideal: Pext = P = n R T / V - (n R T / V) dV = n − VC dT T dTC V dVR v − =− Integrando e assumindo que − VC constante: = − − i f v i f T TlnC V VlnR ou = − i f v f i T TlnC V Vln R 69 Lembrando que: − pC = − VC + R → − pC - − VC = R = − −−− i f v f i vp T TlnC V VlnCC Dividindo ambos os termos por − VC : = − − −− i f f i v vp T Tln V Vln C CC Como definido anteriormente: V P C C =γ = −γ i f f i T Tln V Vln)1( 70 Portanto: i f 1 f i T T V V = −γ Relação entre P e T no processo adiabático reversível: γγ− = i f 1 f i T T P P Relação entre P e V no processo adiabático reversível: γ = i f f i V V P P 71 TERMOQUÍMICA TERMOQUÍMICA é o ramo da termodinâmica que investiga o calor liberado ou consumido durante as reações químicas. O recipiente onde ocorre a reação e o seu conteúdo constituem o sistema e as reações químicas provocam troca de energia entre o sistema e as vizinhanças. � TROCAS TÉRMICAS: a) ENERGIA INTERNA: Como visto anteriormente, em um processo isocórico: ∆U = qv Portanto, ao se medir a energia térmica fornecida a um sistema a volume constante (q > 0) ou cedida por um sistema a volume constante (q < 0), se está também medindo a variação de energia interna resultante desta mudança de estado. O dispositivo comumente usado para se medir a variação de energia interna em uma reação química é o calorímetro ou bomba calorimétrica. O calorímetro fica imerso em um banho cuja temperatura é constantemente ajustada de modo que as temperaturas do banho e do calorímetro sejam sempre idênticas. Deste modo, não há transferência de calor entre o calorímetro e o banho (vizinhança), ou seja, o calorímetro opera de forma adiabática. 72 Figura - Bomba calorimétrica a volume constante Estando o calorímetro calibrado, pode-se determinar o calor da reação a partir da variação de temperatura (∆T) medida no calorímetro: q = C ∆T C é a constante do calorímetro A constante C pode ser medida pela passagem de uma corrente elétrica I, de uma fonte de tensão conhecida V, durante o tempo t: q = I V t = C ∆T 73 b) ENTALPIA Como visto anteriormente, em um processo isobárico: ∆H = qp Portanto, a variação de entalpia é igual ao calor envolvido em um processo à pressão constante. Em um processo exotérmico à pressão constante: ∆H < 0 Em um processo endotérmico à pressão constante: ∆H > 0 Pode-se medir a variação de entalpia acompanhando-se a variação de temperatura em uma transformação a pressão constante. A variação de entalpia também pode ser determinada a partir do conhecimento de ∆U (∆U obtido a partir do uso do calorímetro). � RELAÇÃO ENTRE ∆H E ∆U EM PROCESSOS ESPECÍFICOS: H ≡ U + PV dH = dU + PdV + VdP 74 � Se o processo ocorrer a volume constante (ex: numa bomba calorimétrica): dH = dU + VdP ∆Hv = ∆U + V ∆P ou ∆ − Hv = ∆ − U + − V∆P Para sólidos e líquidos, o produto ( −V∆P) é muito pequeno em comparação a ∆ −U , podendo-se admitir: ∆ − Hv ≈ ∆ − U somente para sólidos e líquidos � Se o processo ocorrer à pressão constante: dH = dU + PdV ∆Hp = ∆U + P ∆V � Se o processo ocorrer a pressão e temperatura constantes e os compostos forem gases ideais: ∆Hp = ∆U + P ∆V P V = n R T ∆V = Vf – Vi = (nf – ni) RT/P ∆Hp = ∆U + ∆n RT 75 � ESTADO PADRÃO: A variação de energia em uma reação química depende das condições do processo (T e P). As variações de energia são usualmente registradas em condições padrões. O estado-padrão de um elemento é a substância pura a 1 bar e tendo a forma alotrópica especificada, se necessário. Apesar de não haver uma temperatura-padrão especificada, muitas referências usam 25ºC. Ex: ∆reaçãoHo ∆Ho é a variação de entalpia em um processo em que as substâncias nos estados inicial e final estão nos respectivos estados padrões Obs: Como 1 bar é quase igual a 1 atm, o uso de 1 atm como condição-padrão não acarreta muito erro. Como a entalpia é uma função de estado, ∆Ho não se altera, qualquer que tenha sido o processo de transformação, desde que os estados inicial e final sejam os mesmos. Outra consequência de H ser uma função de estado: ∆Ho (A → B) = - ∆Ho (B → A) Ex: A entalpia de vaporização da água é +44 kJ/mol, a 298 K, portanto, a entalpia de condensação do vapor de água, a 298 K, é –44 kJ/mol. 76 � VARIAÇÃO DE ENTALPIA EM TRANSFORMAÇÕES QUÍMICAS: Algumas entalpias padrões têm nomes especiais: Transição Processo Símbolo Formação elementos → composto ∆fH Combustão composto (s, l, g) + O2 (g) → CO2 (g) + H2O (l,g) ∆cH Reação reagentes → produtos ∆rH Solução soluto + solvente → solução ∆solH Transição de fase sólido → líquido líquido → gás sólido → gás ∆fusH ∆vapH ∆subH � ENTALPIA PADRÃO DE FORMAÇÃO, ∆fHo: A entalpia padrão de formação de uma substância é a entalpia padrão da reação de formação do composto a partir dos respectivos elementos, cada qual no seu estado de referência. O estado de referência de um elemento é o seu estado mais estável a certa temperatura e a 1 bar. Normalmente, os valores de entalpia padrão são tabelados a 25ºC. Independente da temperatura, as entalpias padrões de formação de todos os elementos nos respectivos estados de referência são nulas: Ex: Br2 (l) → Br2 (l) ∆fHo = 0 para o elemento bromo 77 Ex: formação de benzeno líquido a 298 K 6 C (s, grafita) + 3 H2 (g) → C6H6 (l) ∆fHo = + 49,0 kJ/mol C (s, grafita) H2 (g) C6H6 (l) ∆fHo (kJ/mol) 0 0 +49,0 � LEI DE HESS: Hess estudou as variações de energia das reações químicas em termos de calor e formulou um conjunto de ideias que ficou conhecido como LEI DE HESS. Por este postulado, qualquer reação química pode ser escrita como uma combinação algébrica de reações de formação, podendo-se, assim, determinar o valor de ∆fH. A lei de Hess é uma consequência direta do fato da entalpia ser uma função de estadoe uma propriedade extensiva: - as transformações químicas são acompanhadas por uma variação específica de energia; - novas transformações químicas podem ser criadas, combinando-se algebricamente transformações químicas conhecidas; - a variação na energia de uma reação química resultante é equivalente à combinação algébrica das variações na energia das reações químicas componentes. 78 Como as reações se encontram tabeladas? As reações de formação são tabeladas com as respectivas entalpias de formação. Também é possível encontrar tabelas com variações de entalpia de combustão. A maioria dos valores de ∆fH é medida em relação ao estado padrão dos reagentes e, neste caso, se usa o símbolo ∆fHo. a) Determinação de ∆rHo a partir das entalpias de formação: Ex: Fe2O3 (s) + 3 SO3 (l) → Fe2(SO4)3 (s) Este processo pode ser dividido em 3 reações de formação: (1) 2 Fe (s) + 3/2 O2 (g) → Fe2O3 (s) (2) S (s) + 3/2 O2 (g) → SO3 (l) (3) 2 Fe (s) + 3 S (s) + 6 O2 (g) → Fe2(SO4)3 (s) Comparando-se as 3 equações acima com a reação desejada, teremos que adotar o seguinte procedimento: - Inverter a reação (1), portanto, a variação de entalpia será: –∆fHo[Fe2O3,s] - Inverter a reação (2) e multiplicá-la por 3, portanto, a variação de entalpia será: -3∆fHo[SO3,l] - Manter a reação (3), portanto: ∆fHo[Fe2(SO4)3,s] 79 Então: ∆rHo = –∆fHo[Fe2O3,s] - 3∆fHo[SO3,l] + ∆fHo[Fe2(SO4)3,s] = -(-824,2) – 3(-438) + (-2583) = - 444,8 kJ Generalizando: ∆rH = ∑∑ − reag o f prod o f HH νν Aplicada a condições padrão e não padrão ν = coeficiente estequiométrico ��� = entalpia molar padrão de formação b) Determinação de ∆rHo a partir das entalpias de combustão: Ex: C2H5OH (l) + CH3COOH (l) → C2H5OOCCH3 (l) + H2O (l) ∆rHo = –∆cHo[C2H5OOCCH3(l)] - ∆cHo[H2O,l] + ∆cHo[C2H5OH(l)] + ∆cHo[CH3COOH(l)] = 1251,94 – 759,18 – 484,14 = +8,62 kJ/mol Generalizando: ∆rH = ∑∑ − prod o c reag o c HH νν Aplicada a condições padrão e não padrão �� � = entalpia molar padrão de combustão C2H5OH (l) CH3COOH (l) C2H5OOCCH3 (l) H2O (l) ∆cHo (kJ/mol), 25ºC -759,18 -484,14 -1251,94 0 80 � VARIAÇÃO DA ENTALPIA DE REAÇÃO COM A TEMPERATURA: É possível estimar as entalpias padrões de reação em diferentes temperaturas a partir das capacidades caloríficas e da entalpia de reação em uma dada temperatura. Como visto anteriormente: Cp = PT H ∂ ∂ Para uma variação infinitesimal de temperatura: dH = Cp dT p = cte H(T2) = H(T1) + ∫ 2 1 T T P dTC Como esta equação vale para cada substância que participa da reação, a entalpia padrão da reação será: ∆rHo(T2) = ∆rHo(T1) + dT 2 1 ∫∆ T T o PC LEI DE KIRCHHOFF onde: ∆Cpo = é a diferença entre as capacidades caloríficas molares dos produtos e dos reagentes nas condições padrões, com os respectivos coeficientes estequiométricos 81 ∆Cpo = ∑∑ − reagentes o p produtos o p CC νννννννν Obs: Se o intervalo de temperatura for pequeno, as capacidades caloríficas de todas as substâncias podem ser consideradas constantes. Em caso contrário, CP será função da temperatura: CP = a + bT + cT2 + dT3 + ... onde: a, b, c, d, ... → constantes tabeladas para cada substância
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