aula 2 físicoquímica

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A PRIMEIRA LEI DA 
TERMODINÂMICA
Turmas: 3NH; 3NI; 3NK; 3NL
Profª: Daniella Napoleão
Termodinâmica é o estudo das transformações de energia, sendo
uma poderosa ferramenta para o projeto de equipamentos e
máquinas que envolvam trocas térmicas.
Sistemas e Vizinhanças: quando se estuda as variações de energias
numa parte limitada do universo, o objeto de investigação recebe onuma parte limitada do universo, o objeto de investigação recebe o
nome de SISTEMA, enquanto que tudo que se encontra a sua volta
e compõe o universo recebe o nome de VIZINHANÇAS.
Exemplo: Numa reação química os reagentes e produtos compõem
o sistema, já o recipiente em que ocorre a reação e o ambiente
fazem parte da vizinhança.
Classificando o Sistema
Sistema aberto: há troca de energia e matéria entre sistema e
vizinhanças;
Sistema fechado: pode haver troca de energia, mas não há trocaSistema fechado: pode haver troca de energia, mas não há troca
de matéria entre sistema e vizinhanças. É mais fácil de ser
analisado.
Sistema isolado: não há troca de matéria e nem de energia entre
sistema e vizinhanças.
DEFINIÇÕES IMPORTANTES
Força: qualquer ação atrativa ou repulsiva exercida sobre um
corpo.
Trabalho (W): é definido como um movimento contra uma forçaTrabalho (W): é definido como um movimento contra uma força
que se opõe a algum deslocamento. Exemplo: levantamento de um
objeto contra a ação da gravidade.
W = F.d
DEFINIÇÕES IMPORTANTES
Calor (Q): é a energia transferida de um corpo quente para outro
mai frio. Logo, quando se levanta um corpo desprende-se energia de
duas maneiras: o trabalho realizado e o calor desprendido no
ambiente.ambiente.
Energia: é a capacidade de efetuar trabalho ou de transferir calor.
Os corpos podem ter dois tipos de energia: CINÉTICA (quando
encontram-se em movimento) e POTENCIAL (relacionada a
posição do corpo).
ENERGIA INTERNA (U)
A energia total de um sistema recebe o nome de energia interna e
trata da soma de toda a energia cinética e potencial que constituem o
sistema. A variação de energia interna de um sistema quando este
passa do estado inicial i com energia interna Ui até o estado final fpassa do estado inicial i com energia interna Ui até o estado final f
com energia interna Uf é:
∆U = Uf – Ui
Na termodinâmica esse tipo de propriedade é chamada de função de
estado, pois os seu valor depende exclusivamente de seus estados
inicial e final, e não do caminho. A energia interna é medida em
joule (J).
APRIMEIRA LEI DATERMODINÂMICA
Também conhecida como a lei de conservação da energia diz: “ A
energia interna de um sistema isolado é constante”.
Explicitando essa lei matematicamente tem-se:
∆U = W +Q∆U = W +Q
Para esse curso, adotaremos a seguinte convenção:
•O sistema efetua trabalho para as vizinhanças: W < 0;
•O sistema recebe trabalho das vizinhanças: W > 0;
•O sistema cede calor para as vizinhanças: Q < 0;
•O sistema recebe calor das vizinhanças: Q > 0.
EXERCÍCIO
Um motor elétrico produz 15 kJ de energia na forma de trabalho
mecânico e perde 2 kJ na forma de calor. Qual a variação de energia
interna do sistema?
EXPRESSÃO GERAL PARAO TRABALHO
Para calcularmos o trabalho efetuado por um sistema, devemos nos
relembrar da definição da Física, no qualW = F.d. Estudemos
agora o trabalho de expansão, ou seja, o trabalho que surge quando
ocorre uma variação no volume de um sistema.
Dado um gás confinado num cilindro sob um êmbolo móvel,Dado um gás confinado num cilindro sob um êmbolo móvel,
conforme a figura, em que x é o eixo do deslocamento.
EXPRESSÃO GERAL PARAO TRABALHO
O trabalho realizado para empurrar o êmbolo para a direita de uma
distância infinitesimal dx pode ser expresso da seguinte maneira:
Sabe-se que F = Pext.A, em que A= área da seção transversal e Pext é
a pressão externa. Desse modo a expressão do trabalho pode ser
escrita da seguinte forma:
EXPRESSÃO GERAL PARAO TRABALHO
Com base na última equação é possível integrá-la para obter o
trabalho total do sistema, para tal os limites de integração vão de Vi
até Vf.
De modo análogo se um dado gás empurra um pistão contra uma
dada pressão, pode-se escrever:
EXPRESSÃO GERAL PARAO TRABALHO
TRABALHO PARA UMA EXPANSÃO LIVRE: Nesse caso
deve-se obter o trabalho quando o sistema faz expansão livre, ou
seja, contra uma força nula. Se a força é nula tem-se que a pressão
também é nula e desse modo,também é nula e desse modo,
W = 0 (Trabalho de Expansão Livre)
EXPRESSÃO GERAL PARAO TRABALHO
TRABALHO CONTRAUMAPRESSÃO CONSTANTE:
Se a pressão é constante fica fácil reescrever a equação, pois a
Pressão pode sair da integral, resumindo a:
EXPRESSÃO GERAL PARAO TRABALHO
Exercícios: Um gás se expande 500mL contra uma pressão
constante de 1,20 atm. Qual o trabalho realizado em J?
Dado: 1L.atm = 101, 325J
Os gases nos 4 cilindros de um motor de automóvel expandem
de 0,22L a 2,2 L durante um ciclo de ignição. Assumindo que o
virabrequim exerce uma força constante equivalente à pressão
de 9,60 atm, quanto trabalho o motor realiza em um ciclo?
EXPRESSÃO GERAL PARAO TRABALHO
Expansão Isotérmica Reversível: nesse caso vamos estudar
quando o gás se expande contra uma pressão externa variável. O
termo reversível significa que a pressão externa é “igual” à
pressão do gás em cada estágio da expansão. Isotérmica, pois
acontece a temperatura constante. Para calcular o trabalho numaacontece a temperatura constante. Para calcular o trabalho numa
expansão reversível, imaginemos que a pressão externa que uma
amostra de gás confinada num cilindro esteja sofrendo seja igual à
sua própria pressão (Pext = P). Logo, pode-se escrever:
EXPRESSÃO GERAL PARAO TRABALHO
EXERCÍCIO: Mostre que o trabalho realizado por um gás ideal
num processo isotérmico e reversível é dado por:
Uma amostra de 1 mol de gás ideal se expande isotermicamente
a 0°C, de 22,4L a 44,8 L,de três formas:
a) Reversível; b) Contra um pressão externa constante e igual à
pressão final do gás; c) Livremente
Calcule o trabalho (em kJ) realizado pelo gás em cada caso.
EXPRESSÃO GERAL PARAO TRABALHO
TROCAS TÉRMICAS:
Processo a volume constante: Da 1ª Lei da Termodinâmica sabe-se
que a variação da energia interna do sistema é dado por: dU = dQ +
dW.dW.
Se o volume é constante tem-se que W=0, logo; dU = dQ.V;
integrando essa última equação tem-se:
∆U = ∆Q.V
Em que QV é o calor trocado a volume constante.
EXPRESSÃO GERAL PARAO TRABALHO
CALORIMETRIA: quando há um fluxo de calor para uma
substância, ou de uma substância para fora, há alteração da
temperatura. É possível determinar o fluxo de calor que se associa a
uma reação química pela medição da variação da temperatura que
provoca. A medida das quantidades de calor trocadas e objeto deprovoca. A medida das quantidades de calor trocadas e objeto de
estudo da CALORIMETRIA. O aparelho que realiza esse tipo de
medida é um CALORÍMETRO.
A variação de temperatura, ∆T, observada no calorímetro é
proporcional ao calor que a reação libera ou absorve. Portanto,
pela medição dessa variação de temperatura, podemos
Determinar o calor medido a volume constante e, a partir daí,
determinar∆U.
EXPRESSÃO GERAL PARAO TRABALHO
CALORIMETRIA
Para que se possa calcular o calor é necessário conhecer a capacidade
calorífica do calorímetro (ou constante do calorímetro) C. A
capacidade calorífica de um corpo é a quantidade de calor necessária
para elevar 1K a temperatura do corpo. Quanto maior a capacidadepara elevar 1K a temperatura do corpo. Quanto maior a capacidade
calorífica (C) do corpo maior será a quantidade de calor
necessária para provocar um certo aumento de temperatura.
Desse modo:
Q = C∆T
Equação do Calorímetro
EXPRESSÃO GERAL PARAO TRABALHO
CALORIMETRIA: Como nos processos a volume constante o calor
é igual à variação de energiainterna, a equação do calorímetro fica:
e fizermos um gráfico da variação de energia interna (ou calor ae fizermos um gráfico da variação de energia interna (ou calor a
volume constante) contra a temperatura, obteremos uma reta cujo
coeficiente angular é igual a C. Dessa forma, a capacidade calorífica a
volume constante (CV) pode ser definida por:
EXPRESSÃO GERAL PARAO TRABALHO
CALORIMETRIA
Observe a equação anterior. Se o processo for isotérmico como
podemos reescrevê-la? Qual o valor de ∆U?
EXPRESSÃO GERAL PARAO TRABALHO
CALORIMETRIA
EXERCÍCIOS: Numa reação de combustão de uma substância A
realizada num calorímetro, foram liberados 96kJ de energia em forma
de calor. Calcule:de calor. Calcule:
a) A variação de energia interna do sistema;
b) A capacidade calorífica da substância A, admitindo que a 
temperatura passou de 32°C até 44°C e que a capacidade calorífica do 
calorímetro seja desprezível;
EXPRESSÃO GERAL PARAO TRABALHO
CALORIMETRIA
IMPORTANTE: A capacidade calorífica ou calor específico pode
ser determinado experimentalmente pela medida da variação da
temperatura, ∆T, que uma massa m da substância sofre ao recebertemperatura, ∆T, que uma massa m da substância sofre ao receber
uma certa quantidade de calor q.
C = q / m . ∆T
EXPRESSÃO GERAL PARAO TRABALHO
CALORIMETRIA
PROCESSO À PRESSÃO CONSTANTE – ENTALPIA (H):
Entalpia (do grego enthalpein, aquecer) caracteriza o calor trocado à
pressão constante. Como a energia interna, a entalpia é uma função de
estado, ou seja não depende do caminho, da história sistema, apenasestado, ou seja não depende do caminho, da história sistema, apenas
das condições em que este se encontra. A entalpia, é portanto, definida
da seguinte maneira:
P é a pressão do sistema e V é o volume dele.
EXPRESSÃO GERAL PARAO TRABALHO
CALORIMETRIA
PROCESSO À PRESSÃO CONSTANTE – ENTALPIA (H): À
pressão constante a variação de entalpia, é igual ao calor trocado
(desde que não haja trabalho além do de expansão). Matematicamente:
∆H = Hf – Hi = q.P
IMPORTANTE: Somente no caso especial em que a pressão é
constante é que a quantidade de calor transferida é igual a
variação da entalpia.
EXPRESSÃO GERAL PARAO TRABALHO
CALORIMETRIA
Variação da entalpia coma temperatura: A entalpia de uma
substância aumenta quando a temperatura se eleva. Se fizermos um
gráfico da entalpia contra a temperatura verificaríamos que o
coeficiente angular seria Cp, a capacidade calorífica à pressão
constante, tem-se:constante, tem-se:
Integrando esta equação de modo análogo a Cv tem-se:
EXPRESSÃO GERAL PARAO TRABALHO
CALORIMETRIA
Exercício: Se o processo é isotérmico, qual o valor da entalpia?
IMPORTANTE: Para líquidos e sólidos, pelo fato de o volume molarIMPORTANTE: Para líquidos e sólidos, pelo fato de o volume molar
ser muito pequeno a diferença entre a variação de energia interna e a
variação de entalpia é muito pequena.
EXPRESSÃO GERAL PARAO TRABALHO
CALORIMETRIA
Exercício: Dada a equação de combustão do metano calcule a
quantidade de calor que se desprende, a pressão constante de
4,50g desse gás. Dado: MM (metano) = 16g/mol.
CH4 (g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O (g) ∆H = -802 kJ
TERMOQUÍMICA: estudo do calor trocado entre as reações
químicas, valendo-se dos conceitos de calorimetria para determinação
do calor produzido ou absorvido numa reação química, seja a volume
constante (variação da energia interna) ou à pressão constante
(variação de entalpia). No entanto, como muitas reações químicas são
realizadas à pressão constante, então consideraremos apenas os
cálculos da variação de entalpia (∆H).cálculos da variação de entalpia (∆H).
Um processo que libera calor para as vizinhanças é um processo
exotérmico. Isso corresponde a uma diminuição da entalpia do
sistema, logo:∆H < 0.
Um processo que absorve calor das vizinhanças é um processo
endotérmico. Isso corresponde a um aumento da entalpia do sistema,
e então:∆H > 0.
TERMOQUÍMICA
O valor da variação da entalpia é calculado da seguinte forma:
∆H=Hp- Hr, onde Hp é a entalpia dos produtos e Hr a entalpia dos
reagentes.
LEI DE HESS: “se uma reação se passa numa sequência de etapas,
a variação de entalpia ∆H da reação é igual à soma das variações de
entalpia de todas as etapas”.
ENTALPIA PADRÃO DE REAÇÃO: a variação da entalpia por mol
é específica da reação e ,por isso, é chamada de entalpia padrão da
reação.reação.
Para uma reação genérica:
A variação de entalpia padrão é dada por:
ENTALPIA PADRÃO DE REAÇÃO:
Em que a,b,c e d são os coeficientes estequiométricos das substâncias
A,B,C e D, respectivamente e Hm (J) a entalpia molar padrão da
espécie J. Foi especificado que toda substância simples no estado
padrão (H0) e na forma mais estável possui entalpia igual a zero.
EXERCÍCIO