Lista 3 FQI

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ULBRA
CURSO DE QUÍMICA
FÍSICO-QUÍMICA: GASES E TERMODINÂMICA
Lista de Exercícios 03 – Primeiro Princípio da Termodinâmica
Questões:
	01 - 	Explique por quê a definição de (U e suas propriedades (o fato de U ser uma função de estado) pode ser interpretada como decorrência da experiência de Joule.
	02 - 	Uma máquina que pudesse se mover infinitamente sem precisar de energia é também chamada um moto perpétuo. Escreva porquê a construção de um moto perpétuo violaria o primeiro princípio da termodinâmica.
03 - 	Um pedaço de metal ao ser aquecido por um determinado tempo tem sua temperatura aumentada em 100 oC. Um pedaço do mesmo peso de um outro material, submetido ao mesmo processo de aquecimento, tem sua temperatura aumentada em 20 oC. Qual dos dois possui a maior capacidade calorífica?
	04 - 	O que é entalpia e porque ela é usada para medir efeitos térmicos em reações químicas?
05 - 	Qual a diferença entre calor sensível e calor latente? O calor envolvido num processo de vaporização deve ser classificado como sensível ou latente? Por quê?
06 - 	Sob que condições é verdadeira a relação: dw= – (nRT/V)dV ?
07 - 	Se um sistema submeter-se a uma expansão adiabática em que o volume duplique, a temperatura final dependerá da massa de gás envolvida? E se a expansão for adiabática irreversível contra uma pressão externa igual à pressão final?
Exercícios:
08 - 	Calcule o trabalho realizado pelo sistema em uma expansão isotérmica de 1 mol de um gás ideal, a 27 (C, partindo de um estado inicial de pressão igual a 1 atm e chegando-se a um estado final de pressão 0,2 atm, supondo que a expansão se dê:
em uma única etapa irreversível contra uma pressão externa de 0,2 atm.R: w= – 1994 J.
em duas etapas irreversíveis, contra pressões externas de 0,6 e 0,2 atm. R: w= – 2659 J.
em quatro etapas irreversíveis contra pressões externas de 0,8, 0,6, 0,4 e 0,2 atm. R: w= – 3199 J.
em uma única etapa reversível. R: w= – 4014 J.
	09 - 	Um mol de um gás ideal ideal monoatômico ((cp=5/2 R), inicialmente a 25 (C e 1 atm é aquecido isobaricamente até atingir-se a temperatura de 75 (C. Calcule (U, (H, q e w. R: (U = 623,6 J, (H = 1039 J, w = – 415,4 J e q = 1039 J. 
	10 - 	Uma amostra de 1 mol de um gás ideal monoatômico, inicialmente a 25 (C e 1 atm é aquecido isobaricamente até que seu volume duplica. Após esta expansão, a amostra é resfriada isometricamente e, a seguir, sofre compressão isotérmica retornando ao seu estado inicial. Calcule a pressão, volume e temperatura em cada estado intermediário, esboce as transformações num gráfico P ( V e calcule (U, (H, q e w para cada etapa e para o ciclo. R: (UI = 3716 J, (HI = 6194 J, wI = – 2478 J e qI = 6194 J; (UII = – 3716 J, (HII = – 6194 J, wII =0 e qII = – 3716 J; (UIII = 0, (HIII = 0, wIII = 1717 J e qIII = – 1717 J .
	11 - 	Calcule (U, (H, q e w para a expansão reversível de 3 móis de um gás diatômico, a 27 (C, partindo de uma pressão inicial de 1 atm e chegando a uma pressão final de 0,2 atm. R: : (U = 0, (H = 0, w = – 12043 J e q = 12043 J;
	12 - 	Considere um sistema constituído por um mol de gás ideal monoatômico contido num recipiente dotado de pistão. Se mantivermos o sistema a 10 (C e fornecermos 40 J ao sistema, qual será o volume final se partirmos de uma pressão inicial de 1 atm, considerando o processo como reversível? R: V = 23,6 L
	13 - 	Calcule (U, (H, q e w para a compressão de 2 móis de um gás ideal de 1 atm para 100 atm a 25 (C, sob pressão externa de 500 atm. R: : (U = 0, (H = 0, w = 2451 kJ e q = – 2451 kJ;
	14- Uma amostra contendo 2,00 mol de He expande isotermicamente a 22oC de 22,8L até 31,7L de acordo com os seguintes processos:
reversivelmente
contra uma pressão externa constante e igual a pressão final do sistema
contra o vácuo (expansão livre)
Calcule para todos os processos q,W, (U e (H.
R: a) q=+1,62kJ,W=-1,62kJ, (U=0 e (H=0; b) q=+1,38kJ,W=-1,38kJ, (U=0 e (H=0; 
c) q=W=(U =(H=0.
	15- Uma amostra de argônio de massa igual a 6,56g ocupa 18,5L a 305K.
Calcule o trabalho realizado pelo gás na expansão isotérmica contra uma pressão externa constante e igual a 200Torr. Na expansão o volume aumentou de 3,3L
Calcule o trabalho realizado, supondo processo reversível.
R: a) -19J b)-52,8J
	
	16 - 	Calcule (U, (H, q e w para uma expansão adiabática reversível de 1 mol de gás ideal diatômico partindo de T1 = 298 K, P1 = 1 atm e chegando a um volume 10 vezes maior que o inicial.R: Tf = 118,6 K, (U = – 3728 J, (H = – 5219 J, w = – 3728 J e q = 0;
	17 - 	Calcule (U, (H, q e w para uma expansão adiabática irreversível, partindo-se das mesmas condições do sistema do exercício anterior, porém chegando-se a um volume final 10 vezes maior que o inicial mediante expansão contra uma pressão externa idêntica à pressão final do sistema. R: Tf = 219,1 K, (U = – 1640 J, (H = – 2297 J, w = – 1640 J e q = 0.
	18 - 	Considere um sistema constituído por um mol de gás ideal monoatômico contido num recipiente dotado de pistão. Qual será a variação da temperatura do gás se q = 50 J e w = – 100J durante um processo? R: (T = – 4 K
	19 - 	Considere um mol de um gás ideal monoatômico contido num pistão, a 1 atm e 25 (C. Calcule (U, (H, q e w para cada uma das etapas e para o processo total constituído das seguintes transformações:
Aquecimento a volume constante mediante transferência de 100 cal ao sistema. R: (U =100 cal, (H = 166,7 cal, w = 0 e q = 100 cal. 
Após este aquecimento, expansão adiabática reversível retornando à temperatura inicial. R: (U = – 100 cal, (H = – 166,7 cal, w = – 166,7 cal e q = 0.
Compressão isobárica irreversível contra uma pressão externa de 1 atm até o estado inicial. R: (U = 0, (H = 0, w = 103,2 cal e q = – 103,2 cal.
20- 	Calcule a queda de temperatura e as variações de energia interna e entalpia que acompanham a expansão adiabática de 2 móis de um gás ideal monoatômico sob pressão externa constante de 1 atm. As condições iniciais são p=10 atm e t=25 (C. O processo é reversível ou irreversível? Conforme a sua resposta, argumente se um outro processo, irreversível ou reversível, propiciaria uma queda maior, menor ou igual de temperatura. R: (T = – 107 K, (U = – 2693 J, (H = – 4489 J, w = – 2693 J e q = 0.
	
21 - 	10 litros de um gás ideal diatômico a 25 (C e 10 atm são expandidos até uma pressão final de 1 atm. Considere os seguintes processos possíveis:
Expansão isotérmica e reversível. R: (U = 0, (H = 0, w = – 5,58 kcal e q =5,58 kcal.
Expansão adiabática e reversível. R: (U = –2,91 kcal, (H = – 4,08 kcal, w = – 2,91 kcal e q =0.
Expansão adiabática irreversível contra uma pressão externa de 1atm. R: (U = –1,56 kcal, (H = – 2,18 kcal, w = – 1,56 kcal e q =0.
Calcule, em cada caso, (U, (H, q e w
22- Uma amostra contendo 15,0 g de nitrogênio é confinada em um cilindro a 220kPa e 200 K e expande adiabaticamente mediante dois processos:
a- reversivelmente até a pressão final igual a 110kPa
b- contra uma pressão externa constante de 110 kPa
Calcule para ambos os casos a temperatura final.
 	R: a)164K b)171K
23 - 	Quanto irão aquecer 100 g de água ou 100 g de ferro pelo recebimento de 1 kJ? Dados: os calores específicos da água e do ferro são respectivamente 1 cal K –1g –1 e 0,107 cal K –1g–1. R: Fe (T =22,33 K, água (T =2,39 K. 
	24 - 	1 mol de água em equilíbrio com seu vapor é convertido em vapor d'água a 100 oC e 1 atm. O calor absorvido no processo ( o calor de vaporização da água nesta temperatura) é de cerca 9720 cal/mol. Calcule (U, (H, q e w. R: (U = 8979 cal, (H = 9720 cal, w = – 741 cal e q =9720 cal. 
	25 - 	Usando cálculos termodinâmicos é possível relacionar o trabalho efetuado e o calor produzido em processos diversos, não obstante a ausência de ligação entre eles. Um homem de 30 anos de idade e 70 kg produz 3600 kcal de calor em 24 horas, trabalhando como pedreiro durante 8 horas e jogando boliche nas horas vagas. Se o calor liberado é usado para elevar a temperatura de200 kg de água inicialmente a uma temperatura de 25 (C, qual a temperatura final da água? R: 43 (C.