2 Lista FisQui F 2019 01

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2ª Lista 
Físico-Química F 
2019/01 
Prof. Dr. Roberto 
Barbosa de Castilho 
 
1 
 
UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO RIO DE JANEIRO 
CAMPUS SEROPÉDICA 
INSTITUTO DE QUÍMICA 
DEPARTAMENTO DE QUÍMICA FUNDAMENTAL 
Introdução à Termodinâmica: 1ª lei e Termoquímica 
 
1atm ≡ 760 torr ≡ 760 mmHg ≡ 1,013 bar ≡ 1,013.105Pa 
R = 8,31 J.mol-1.K-1 = 0,082 atm.L.mol-1.K-1 
 
I) Questões Conceituais 
 
1) Qual é a origem e o significado da palavra Termodinâmica? 
2) O estudo da Termodinâmica diz respeito fundamentalmente a processos 
microscópicos ou macroscópicos? 
3) Qual é a temperatura mais baixa possível na escala Celsius? E na escala 
Kelvin? 
4) O principal interesse da Termodinâmica é a quantidade de energia interna 
de um sistema ou as variações de energia interna desse sistema? 
5) Como o princípio da conservação da energia se relaciona com a primeira 
lei da Termodinâmica? 
6) Qual é o significado da palavra sistema? 
7) Qual é a relação entre o calor cedido a um sistema, a variação em sua 
energia interna e o trabalho por ele realizado? 
8) O que acontece com a energia interna de um sistema quando é realizado 
trabalho sobre ele? O que acontece com sua temperatura? 
9) Se o trabalho é realizado pelo sistema, sua energia interna aumenta ou 
diminui? 
10) Qual é a forma adiabática da 1ª lei? 
11) Se você sacudir violentamente uma lata com líquido para cima e para bai-
xo por mais de um minuto, a temperatura do líquido aumentará? Experi-
mente e observe. 
12) Quando o ar é comprimido rapidamente, por que sua temperatura aumen-
ta? 
13) O que acontecerá à pressão de um gás confinado a uma lata vedada se 
ela for aquecida? E se ela for resfriada? Porque? 
14) Qual é, em última análise, a fonte de energia do carvão, do petróleo e da 
madeira? Por que dizemos que a energia da madeira é renovável, enquan-
to do carvão e a do petróleo são consideradas não-renováveis? 
15) Por que o fundo de uma bomba de encher pneus fica quente quando se 
bombeia ar para dentro do pneu, mas, quando o ar é liberado, a válvula de 
escape esfria? 
16) O que acontece com a densidade de uma quantidade de gás quando sua 
temperatura é baixada enquanto sua pressão é mantida constante? 
17) Um ventilador não apenas não diminui a temperatura do ar, mas de fato 
aumenta a sua temperatura. Como, então, você é resfriado por um venti-
lador em um dia quente? 
 
 
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18) Um amigo lhe diz que a temperatura dentro de um forno é 500 e que den-
tro de certa estrela é 50.000. Você está incerto se seu amigo se refere a 
graus Celsius ou a Kelvin. Que diferença isso faz em cada caso? 
19) O calor específico das rochas e do solo é aproximadamente um quarto do 
calor específico da água. Com base nessa informação, explique o fenô-
meno das brisas marítima e terrestre. 
20) Baseado em seu conhecimento de capacidade calorífica, explique por que 
ar quente e úmido é mais desconfortável que ar quente e seco. E o ar frio 
e úmido é mais desconfortável que ar frio e seco? 
21) Um aparelho de ar condicionado primitivo, de aplicação em lugares onde 
não há luz elétrica, pode ser construído pendurando-se algumas tiras de 
tecido molhadas em água. Explique por que esta estratégia funciona? 
22) O que é calor? Em que se assemelha e em que difere do trabalho? Em 
que condições o calor é transferido de um sistema a outro? 
 
 
 
II) Questões numéricas 
 
1. O diagrama abaixo representa as variações p-V de um gás. Determine uma expressão 
para o trabalho total realizado. 
 
2. Explique o termo função de estado. Quais são as suas propriedades matemáticas? 
Quais das seguintes grandezas são funções de estado: p, V, T, w, q. 
3. Forneça interpretações moleculares para os seguintes conceitos: trabalho, calor, tem-
peratura, e capacidade calorífica. 
 
 
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4. Um homem segura uma garrafa de um isotônico enquanto corre em uma esteira. Su-
ponha que o Gatorade e o sistema em questão e responda às seguintes perguntas, 
justificando as respostas: 
a) A temperatura irá aumentar devido ao movimento do homem en-
quanto corre? 
b) Algum calor é adicionado ao sistema? Se sim, qual a fonte? 
c) Trabalho foi realizado sobre o sistema? 
d) De que maneira a energia interna do sistema foi afetada? 
5. A equação de estado do gás de Clausius é dada por p(V – nb) = nRT. Obtenha uma 
expressão para o trabalho máximo desse gás em uma expansão isotérmica de V1 a V2. 
6. Calcule o trabalho de expansão que acompanha a combustão completa de 1,0 g de 
glicose em dióxido de carbono e (a) água líquida, (b) vapor d’água a 20 oC sob a pres-
são externa de 1,0 atm. R: 0; -80 J. 
7. A energia interna de um gás ideal não muda quando o gás sofre uma expansão iso-
térmica. Qual a variação da entalpia do gás? 
8. A capacidade calorífica do ar é muito menor que a da água, ou seja, quantidades mo-
destas de calor são necessárias para variar sua temperatura. Esta é uma das razões 
porque regiões desérticas são muito quentes durante o dia, mas muito frias à noite. A 
capacidade calorífica do ar a temperatura e pressão ambiente é aproximadamente 21 
J.K-1.mol-1. (a) Calcule a energia necessária para aumentar em 10 oC a temperatura 
de uma sala de dimensões 5,5 m x 6,5 m x 3,0 m. (b) Se as perdas são desprezíveis, 
quanto tempo demoraria para um aquecedor de 1,5 kW esquentar a sala e promover 
este aumento na temperatura da mesma? 1W = 1J.s-1. R: 9,2.105 J; 615 s. 
9. Suponha que 1 mol de moléculas de um gás ideal, a 292K e 3,00 atm, sofra uma ex-
pansão de 8,00 a 20,00 L e atinja a pressão final por dois caminhos diferentes: A = ex-
pansão isotérmica reversível; B = 2 partes: Etapa 1 – o gás é resfriado a volume cons-
tante até p = 1,20 atm; Etapa 2 – o gás é aquecido e se expande contra uma pressão 
constante de 1,20 atm até que o volume atinja 20,00 L a T = 292K. Represente grafi-
camente e determine o trabalho realizado, o calor transferido e a variação de energia 
interna para os dois caminhos. R: Em A: 2,22.103J; 0. Em B = 1,46.103J; 0. 
10. Escreva as condições para cada uma das transformações: (a) ∆H = ∆U + p∆V; (b) Cp 
= Cv + nR; (c) γ = 5/3; (d) p1V1γ = p2V2γ; (e) w = nCv(T2 – T1); (f) w = p∆V; (g) w = n.R.T. 
ln(V2/V1); (h) dH = dq. 
11. 4,0 L de um gás ideal, inicialmente a 2,0 atm e 300 K, é isotermicamente comprimido a 
um volume final de 2,0 L. Calcule o trabalho realizado: (a) Reversivelmente e (b) Irre-
versivelmente. Esboce graficamente o processo. 
 
 
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12. Suponha que 0,500 mol de um gás monoatômico ideal realize o processo cíclico re-
versível mostrado abaixo. Calcule w, q, ΔU e ΔH para cada etapa e para o ciclo com-
pleto. Dados: ∆𝑈 =
3
2
𝑛𝑅∆𝑇 , ∆𝐻 =
5
2
𝑛𝑅∆𝑇. 
 
13. Classifique os processos em endotérmicos ou exotérmicos: (a) combustão; (b) disso-
lução de um sal em água; (c) vaporização; (d) fusão; (e) sublimação. 
14. Nas células biológicas em que há abundante suprimento de O2, há oxidação completa 
de glicose (C6H12O6)a CO2 e H2O. Em certas situações, como por exemplo após vigo-
rosos exercícios físicos, as células musculares podem ter falta de O2, e assim pode 
ocorrer a glicólise, em que uma molécula de glicose é convertida em duas moléculas 
de ácido lático. Calcule a entalpia padrão da glicólise a partir das entalpias de com-
bustão da glicose (ΔHoc = -2.808 kJ) e do ácido lático (ΔHoc = -1.344 kJ). Há alguma 
vantagem na oxidação completa da glicose em comparação com a glicólise? R: -
120kJ. 
15. Calcule os valores de q, w, ΔU e ΔH para uma expansão adiabática reversível de 1 
mol de um gás ideal monoatômico de 5,00 m3 a 25,0 m3, cuja temperatura inicial é de 
298 K. R: 0; 2,45 kJ; - 2,45 kJ; -4,08 kJ. 
16. A enzima glutamina sintase catalisa a síntese do aminoácido glutamina (Gln) a partir 
do aminoácido glutamato (Glu) e do íon amônio, uma reação endotérmica com ΔrHo = 
+21,8 kJ/mol a 25 oC, que requer energia da oxidação de combustíveis biológicos e 
armazenada no ATP. Estime a entalpia de reação a 60 oC. Dados: Cp,mo (Gln, aq) = 
187,0 J/K.mol; Cp,mo (Glu, aq) = 177,0 J/K.mol; Cp,mo (H2O, aq) = 75,3 J/K.mol; Cp,mo 
(NH4+, aq) = 79,9 J/K.mol. R: +22 kJ/mol. 
17. O ciclo de Carnot é o de um gás ideal, constituído dos seguintes processos consecu-
tivos e reversíveis: expansão isotérmica; expansão adiabática; compressão isotérmica; 
compressão adiabática. Demonstre que o trabalho no ciclo é apenas a soma dos tra-
balhos isotérmicos. Calcular o trabalho do ciclo, sabendo que na expansão isotérmica, 
a 431 oC, o volume varia de 17,52 L.mol-1 a 49,37 L.mol-1 e que a compressão isotér-
mica se dá a 157 oC. Determinar o rendimento do ciclo. 
 
 
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18. As entalpias médias de ligação das ligações C-C, C-H, C=O e O-H são 348, 412, 743 
e 463 kJ.mol-1, respectivamente. A combustão de um combustível como o octano é 
exotérmica, porque ligações relativamente fracas se quebram para formar ligações re-
lativamente fortes. Use essa informação para justificar porque a glicose tem uma en-
talpia específica menor que o ácido decanóico (C10H20O2), apesar de estes compostos 
possuírem massas molares similares. R: 15,2 kJ/g; 34,0 kJ/g. 
19. As pressões no interior da Terra são bem maiores que na superfície, e para utilizar 
dados termoquímicos tabelados em avaliações geoquímicas, essas diferenças devem 
ser levadas em consideração. (a) Dadas as entalpias de combustão do grafite, -393,5 
kJ.mol-1, e do diamante, -395,41 kJ.mol-1, calcule a entalpia padrão da transição C 
(s,grafite) → C (s, diamante). (b) Use a informação da parte (a) junto com as densida-
des do grafite (2,250 g.cm-3) e do diamante (3,510 g.cm-3) para calculara variação de 
energia interna da transição quando a amostra está a uma pressão de 150 kbar. R: 1,9 
kJ.mol-1, 30,6 kJ.mol-1.