Aula_11_-_Termoquimica

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Termoquímica 
Aula 11 
1 
Sumário 
 Termodinâmica 
Conceito de Sistema e vizinhança 
 Tipos de Energia 
 Trabalho 
 Calor e Capacidade Calorífica 
 Energia Interna 
 Lei Zero da Termodinâmica 
 1ª Lei da Termodinâmica 
2 
Termodinâmica 
 É o estudo das transformações de uma forma de energia para 
outra 
A termodinâmica estuda as relações entre o calor e trabalho e 
as propriedades das substâncias que interagem nestas 
relações 
As leis da termodinâmica governam a química: 
• Explicam e prevêem a ocorrência de reações 
• Prevêem a quantidade de calor liberado e o trabalho que 
pode ser executado por uma transformação química 
 
Termodinâmica 
 As leis da termodinâmica: 
 Resultam de experimentos com a matéria 
 Tem uma abordagem do ponto de vista macroscópico de 
um sistema (não consideram o comportamento de átomos 
e moléculas neste modelo) 
 
Energia 
 Normalmente a Energia está associada a capacidade de um 
sistema de produzir trabalho ou calor 
 Exemplos de algumas formas de Energia: 
• Energia potencial, cinética, pressão, molecular, ligação, 
calor e trabalho 
 Em geral estamos interessados nas variações de energia do 
sistema e não na quantidade de energia absoluta do sistema 
 
 
Sistema e Vizinhança 
 O sistema é o objeto que desejamos estudar 
 Fora do sistema encontra-se a vizinhança 
 O universo é formado pelo conjunto: sistema e vizinhança 
 Um sistema aberto pode trocar matéria e energia com a vizinhança 
 Um sistema fechado pode trocar apenas energia 
 Um sistema isolado não pode trocar matéria e energia 
 
Energia 
Calor e trabalho: 
 São Energias em Trânsito: Só existem quando há transferência de 
energia envolvida do sistema para a vizinhança ou vice-versa 
 Energia Potencial, Cinética, Molecular e de Ligação: 
 São Energias Armazenadas ou energias inerentes ao sistema 
 Mudanças nestas formas de energia dentro do sistema não afetam a 
vizinhança (energia potencial para cinética no sistema) 
 A energia cinética (Ec) é a energia associada ao movimento de um 
corpo ou sistema em relação a um ponto de referência 
 Energia cinética aumenta com o aumento da velocidade e da 
massa 
 Átomos e moléculas têm massa e estão em constante 
movimento e possuem Energia Cinética 
 
Energia Cinética    JmN
s
m
kgSIvmEc  .].[
2
1
2
2
2
 A energia potencial (Ep) é a energia associada à massa do sistema 
acima de um plano de referência quando a força de atração é 
devida ao campo gravitacional terrestre 
 
Energia Potencial 
   JmNm
s
m
kgSIhgmEP  .]..[ 2
Além de um campo gravitacional, a Energia Potencial também 
pode estar associada à atuação de outros campos externos ao 
sistema como: 
 Magnético 
 Elétrico 
 
Energia Potencial 
 Sempre que houver uma força (F) atuando ao longo de uma distância 
temos a realização de trabalho 
 O trabalho necessário para mover um objeto até uma certa distância (l), 
contra uma força externa (F) que se opõem é calculado segundo a 
expressão: 
W = F x l 
 Exemplos de trabalho: compressão ou expansão de um gás em um 
cilindro resultante de um movimento de um êmbolo 
Trabalho 
Os tipos ou formas de trabalho que um sistema pode 
executar: 
• Expansão ou compressão de um gás 
• Extensão: ao esticar um material elástico 
• Levantamento de um peso 
• Elétrico: ao variar a passagem de cargas pela aplicação de um 
potencial elétrico 
• Expansão de uma superfície: de um gás ao expandir dentro de 
um balão 
 
Formas de Trabalho 
 Quando um corpo de massa m, sofrendo ação de uma força F, é deslocado 
ao longo de uma distância infinitesimal dl, durante um intervalo de tempo 
infinitesimal dt, temos o trabalho infitesimal (dW) realizado como: 
 
 
 
 
 A energia cinética (Ec) é definida pela expressão: 
 
 O trabalho efetuado sobre um corpo para acelerá-lo de uma velocidade 
inicial v1 até uma velocidade final v2 é igual a variação de energia cinética 
de um corpo: W = E = Ec final - Ec inicial 
Trabalho e Energia Cinética 

dv
dt
dl
mdWdl
dt
dv
mdW
dt
dv
mFmaF
dlFdW
v



















222
22
1
2
2 mvvvmdvvmW
dvvmWdvvmdW
f
i
f
i
v
v
v
v
2
2
1
vmEc 
 Quando um corpo com massa m é elevado de uma altura inicial h1 a uma 
altura final h2, uma força direcionada para cima, tem de ser aplicada sobre 
ele de forma a movimentá-lo a uma distância (h1-h2), realizando trabalho 
segundo a expressão: 
 
 
 
 
 A energia potencial (EP) é definida segundo a expressão: 
 
 O trabalho efetuado sobre um corpo para elevá-lo de uma altura inicial h1 
até uma altura final h2 é igual a variação de energia potencial de um 
corpo. W = E = Ep final - Ep inicial 
Trabalho e Energia Potencial 
 


2
1
h
h
dlgmWdlgmdW
gmamF
dlFdW
   hmghhmgdlgmW
dlgmWdlgmW
h
h
h
h
h
h




12
2
1
2
1
2
1
hgmEP 
 Pela definição de trabalho: 
dW = F dl 
 A pressão externa, que age na face externa do pistão fornece a força que se 
opõem à expansão. 
 A pressão é a força aplicada em determinada área: 
Pex = F / A → F = Pex A 
 A variação de volume da amostra é dada pela expressão: 
dW = Pex A dl = Pex dV 
 Assim o trabalho realizado é dado pela expressão: 
W =  Pex dV integrando W = Pex ΔV 
Trabalho de expansão é convencionado negativo: W = - Pex ΔV 
Sistema entrega energia para a vizinhança 
Trabalho de Expansão a Pressão Constante 
Critérios adotados para considerar o trabalho positivo ou 
negativo: 
• Trabalho realizado pela vizinhança sobre o sistema: trabalho 
positivo (W > 0 – compressão) 
 ocorre aumento da energia do sistema e diminuição da energia 
da vizinhança 
• Trabalho realizado pelo sistema sobre a vizinhança: trabalho 
negativo (W < 0 – expansão) 
 ocorre diminuição da energia do sistema e aumento da energia 
da vizinhança 
Trabalho 
Calor 
 Calor (q) é a energia térmica transferida em consequência de uma 
diferença de temperatura 
 Só tem sentido falar em calor quando ocorre transferência de energia 
térmica entre o sistema e vizinhança. É uma energia em trânsito 
 Sempre que houver diferença de temperatura, haverá transferência de 
calor no sentido da maior para menor temperatura 
 O Calor é transferido por três mecanismos: 
• Condução: transferência de energia entre as partículas de uma 
substância 
• Convecção: transferência envolve os efeito combinado da condução e 
do movimento do fluido. Ex.: Contato entre uma superfície sólida 
aquecida e o ar externo circulando 
• Radiação: transferência de energia devido à emissão de ondas 
eletromagnéticas (ou fótons). Ex.: transferência de energia do sol 
Calor 
 O fluxo de energia devido à diferença de temperatura é simplesmente a 
transferência de energia térmica do movimento das moléculas 
• Calor (q) transferido da vizinhança para o sistema (entra no sistema): 
calor positivo 
 Ocorre aumento da energia do sistema 
• Calor (q) transferido do sistema para a vizinhança (sai do sistema): 
calor negativo 
 Ocorre diminuição da energia do sistema 
Calor 
 Processo exotérmico: Um processo que libera calor para a vizinhança 
 Processo endotérmico: Um processo que absorve calor da vizinhança 
 
CO2 + H2O  C6H12O6 + O2 
Caminho da reação 
Reaçãoendotérmica Reação exotérmica 
C + O2  CO2 + energia 
Medida de Calor 
 Para converter uma mudança de temperatura em energia precisamos 
conhecer a capacidade calorífica da substância 
 Capacidade calorífica ou Capacidade Térmica (C): 
 Razão entre o calor fornecido (q) e o aumento de temperatura que 
ele provoca (∆T) 
C = q / ∆T (unidades: Joule/Kelvin e cal/°C) 
 
 Capacidade calorífica alta significa que uma grande quantidade de calor 
produz pequeno aumento de temperatura 
 
 Capacidade calorífica baixa significa que uma pequena quantidade de 
calor produz grande aumento de temperatura 
Medida de Calor 
 A Capacidade Calorífica é uma propriedade extensiva: quanto maior a 
amostra mais calor é necessário para aumentar sua temperatura 
 A capacidade calorífica pode ser dada por massa ou mol da substância, 
sendo chamada de: 
• Capacidade calorífica específica (Cs) com unidade de J.K-1.g-1. 
• Capacidade calorífica molar (Cm) com unidade de J.K-1.mol-1. 
Neste caso, Cs e Cm são propriedades intensivas, pois são característicos 
da substância e independem da massa. 
 
Relação entre a capacidade calorífica (C), Cs e Cm: 
 C = m x Cs m = massa 
 C = n x Cm n = n° de mols 
Medida de Calor 
 Conhecendo: 
• A massa da substância (m) ou número de mols (n) da substância 
• Sua capacidade calorífica específica (Cs) ou molar (Cm) 
• Aumento da temperatura que ocorre em um processo 
 
 Determinamos a energia dada à substância na forma de calor (q): 
q = m Cs ∆T ou q = n Cm ∆T 
Medida de Calor 
 A transferência de energia na forma de calor é medida com um 
calorímetro 
 Calorímetro é um dispositivo no qual o calor transferido é monitorado 
pela variação de temperatura que ele provoca, usando-se a expressão 
Q = Ccal ∆T 
 Ccal é a capacidade calorífica do calorímetro, também chamado de 
constante do calorímetro. 
 No calorímetro atual ou calorímetro de bomba: 
• a reação ocorre dentro do vaso de um metal resistente selado 
(bomba), que fica imerso em água, e o aumento de temperatura do 
conjunto é acompanhado 
Bomba Calorimétrica 
Exemplos 
Exemplo: Um calorímetro de volume constante foi calibrado com uma 
reação que libera 1,78 kJ de calor em 100 mL de uma solução colocada no 
calorímetro e a temperatura aumenta 3,65ºC. Em seguida, 50 mL de uma 
solução 0,2 M de HCl(aq) e 50 mL de uma solução 0,2 M de NaOH foram 
misturados no mesmo calorímetro e a temperatura subiu 1,26°C. Qual é a 
variação de energia interna da reação de neutralização? 
Solução: 
Calibração: 
Ccal = qcal / ΔT = 1,78 kJ / 3,65
0C = 0,49 kJ.(0C)-1 
Aplicação: 
qcal = CcalΔT = 0,49 kJ.(
0C)-1 (1,260C) = 0,614 kJ 
Medida de Calor 
 O Calor Latente (L) é a quantidade de calor que um corpo precisa receber 
ou ceder para mudar de estado físico 
 Durante esta mudança de estado físico de uma substância pura não há 
variação de temperatura 
 O calor latente pode apresentar valores positivos quanto negativos. 
 Calor latente positivo: a substância está recebendo calor 
 Calor latente negativo: a substância está cedendo calor 
 O calor latente (L) de uma substância: razão entre a quantidade de calor q 
que a substância precisa ganhar ou perder para mudar de fase e a massa 
m da amostra. 
L = q / m 
Exemplos 
Exemplo: Qual a quantidade de calor que deve ser cedida a 0,01 kg de gelo 
para que ele se torne totalmente líquido. Sabendo-se que o calor latente de 
fusão da água é de 80,0 cal/g. 
Solução: 
80,0 cal --------------------------1g 
X cal--------------------------100g 
X= 8000 cal = 8 kcal 
Energia Interna 
 Energia Interna das moléculas é a energia armazenada num sistema 
na forma de energias cinética e potencial 
 A energia interna está relacionada à estrutura molecular e ao grau 
de atividade molecular num sistema 
 Ao realizar trabalho contra um gás em um recipiente isolado, as 
moléculas também passam a se mover mais rapidamente 
  velocidade média   Energia cinética total das moléculas e 
  Energia Interna do gás 
Energia Interna 
 As moléculas de um gás podem se mover de várias maneiras 
diferentes e cada modo de movimento contribui para energia 
interna – contribuição da energia cinética das moléculas para a 
energia interna: 
 Energia translacional: Energia de um átomo ou molécula ao se 
deslocar no espaço 
 Energia rotacional: Energia originária do movimento de rotação de 
um átomo ou molécula 
 Energia vibracional: Energia originária do movimento de oscilação 
dos átomos uns em relação aos outros 
Energia Interna 
 Contribuição da Energia Potencial para a Energia Interna: 
 Interações entre as moléculas, íons, átomos, elétrons e núcleos que 
constituem o sistema 
 Interações com campos gravitacionais, elétricos ou magnéticos 
externos ao sistema 
 Energias de campos radiantes do sistema: emissão de radiação 
eletromagnética pelo sistema 
Leis da Termodinâmica 
Lei Zero da Termodinâmica 
Lei zero da termodinâmica pode ser enunciada como: 
“Dois sistemas em equilíbrio térmico com um terceiro estão em 
equilíbrio térmico ente si” 
Para saber se dois sistemas têm a mesma temperatura não é 
necessário colocá-los em contato térmico 
Podemos verificar se ambos estão em equilíbrio térmico através de 
um terceiro corpo, chamado termômetro 
 A 1ª Lei da Termodinâmica estabelece que: 
Embora a energia assuma diversas formas, a quantidade 
total de energia é constante. A energia não pode ser criada 
nem destruída em um processo, ela pode apenas mudar 
de forma 
1ª Lei da Termodinâmica 
 A 1ª Lei da Termodinâmica também é conhecida como 
Princípio de Conservação de Energia 
 
 
 
1ª Lei da Termodinâmica 
 Forma geral da 1ª Lei da Termodinâmica 
 A variação de energia do sistema tem que ser igual à 
energia transferida através de suas fronteiras com a 
vizinhança 
Δ(Energia do sistema) = Energia trocada com a vizinhança 
 A energia pode ser transferida para o sistema ou de um 
sistema de três formas: CALOR, TRABALHO ou por 
TRANSFERÊNCIA DE MASSA 
 
1ª Lei da Termodinâmica 
 Veremos as formas da 1ª Lei da Termodinâmica em um 
sistema: 
 Isolado: não há transferência de calor, trabalho ou massa 
 Fechado ou batelada: pode haver transferência de calor ou 
trabalho, mas não há transferência de massa 
 Aberto: pode haver transferência de calor, trabalho ou 
massa 
 
1ª Lei da Termodinâmica 
 Para um Sistema Isolado: não há transferência de calor, 
trabalho ou massa. A variação da energia do sistema é nula já 
que não há perda de energia para a vizinhança 
 ΔE sistema = 0 
 ΔE sistema = Einstante 2 – E instante 1 = 0 
(U + Ec + Ep)instante2 - (U + Ec + Ep)instante1 = 0 
ΔU + ΔEc + ΔEp = 0, considerando que ΔU >> ΔEc e ΔEp no sistema isolado 
Então temos que ΔU = 0 para um sistema isolado 
Então a energia interna é cte para um sistema isolado 
Sistema 
1ª Lei da Termodinâmica 
 Na 1ª Lei para um sistema isolado verificamos que: 
• A energia interna é constante (ΔU = 0) e deduzimos que ela é uma função 
de estado, ou seja: 
 Se o sistema passar por uma série de mudanças e voltar ao estado inicial 
teremos ΔU = 0 não importando quais mudanças nós fizemos para 
retornar ao estado atual. 
1ª Lei da Termodinâmica 
 Uma propriedade é uma Função de Estado quando: 
• um sistema muda de um estado para outro, e a variação desta 
propriedade só depende dos estados final e inicial e não de 
como a mudança foi feita 
 
Também são Funções deEstado: 
- a pressão, o volume, a temperatura e a densidade de um sistema 
1ª Lei da Termodinâmica 
 
 O trabalho (W) realizado não é uma função de estado 
 Quantidade de trabalho realizado depende de como a mudança 
foi realizada entre os estados final e o inicial 
Considere um gás a mantido a temperatura 
constante de 25 °C em um banho de água: 
- sofre expansão isotérmica até 100 cm3 de 
duas maneiras diferentes (a) e (b) 
W = (Força externa) x deslocamento 
W = 0; Força externa = 0 
 A mudança de estado do gás (expansão isotérmica) é a mesma mas a 
quantidade de trabalho realizado pelo sistema é diferente 
1ª Lei da Termodinâmica 
 
O Calor (q) também não é uma função de estado 
 Quantidade de calor transferido depende de como a mudança é 
conduzida entre os estados inicial e final 
 Poderíamos aquecer uma quantidade de água de duas formas diferentes: 
 Fornecendo energia na forma de calor (q), por exemplo, através de 
um aquecedor elétrico. 
 Fornecendo energia na forma de trabalho, através de um agitador 
mecânico, até atingir a temperatura desejada da água. Neste caso a 
energia é fornecida na forma de trabalho (W) sobre o sistema e não 
como calor. Neste caso q = 0. 
 A mudança de entre os estados inicial e final é a mesma mas a 
quantidade de calor fornecida ao sistema é diferente. 
 
Energia 
Resumindo: 
As Energias Armazenadas (Potencial, cinética, molecular e de 
ligação) são propriedades de estado: só dependem dos valores 
das propriedades nos estados final e inicial. E = Efinal – Einicial 
 As Energias em Trânsito (calor e trabalho) não são 
propriedades de estado: dependem do caminho seguido para 
sair do estado inicial ao estado final de energia 
 
 
1ª Lei da Termodinâmica 
 Para um Sistema Fechado: não há transferência de massa, mas pode haver 
transferência de trabalho ou calor. Ocorre variação da energia do sistema e 
da vizinhança, e massa do sistema permanece a mesma 
 ΔE sistema = ΔU + ΔEc + ΔEp 
 Energia trocada com a vizinhança = q + W 
Aplicando a 1ª Lei: ΔE sistema = E trocada com a vizinhança 
ΔU + ΔEc + ΔEp = q + W considerando que ΔU >> ΔEc e ΔEp no sistema fechado 
Então temos ΔU = q + W para um Sistema Fechado 
Obs.: calor que entra no sistema +, calor que sai -, e trabalho realizado sobre 
o sistema +, trabalho realizado pelo sistema - 
1ª Lei da Termodinâmica 
 Para um Sistema Aberto: pode haver transferência de calor, trabalho 
ou massa. Ocorre variação da energia do sistema e da vizinhança. 
 Faz-se um balanço de energia no sistema para determinar a variação 
total de energia do sistema: 
E entra – E sai + E gerada sist. - E consumida sist. = ΔE sistema 
m2, e2 
Sistema 
eSistema 
mSistema 
m1, e1 
m3, e3 
m4, e4 
Exercícios – 1ª Lei da Termodinâmica 
1. Calcule a variação da energia interna de um sistema fechado em um processo em que 
absorve 140 J de calor da vizinhança e realiza 85 J de trabalho sobre a vizinhança. 
Obs.: Considere as variações de energia cinética e potencial muito pequenas em relação à 
variação da energia interna do sistema. 
2. Suponha que um gás, num sistema fechado e isolado termicamente (sem troca de calor, 
mas que pode trocar trabalho), sofra uma expansão de 500 mL contra uma pressão de 1,20 
atm . 
Obs.: Considere as variações de energia cinética e potencial muito pequenas em relação à 
variação da energia interna do sistema. 
Dados: 101,325 J = 1 L.atm 
a) Qual foi o trabalho realizado na expansão ? 
b) Qual foi a mudança de energia interna do sistema ? 
Bibliografia Utilizada 
 Atkins, P., Jones, L. “Princípios De Química - Questionando A Vida 
Moderna e o Meio Ambiente”, “Capítulo 7 - Termodinâmica: A Primeira 
Lei”, 5ª Ed., Editora Bookman, 2012.