Professor Gerd lista 2 (2a Lei da Termodinâmica e Energia livre de Gibbs)

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UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBA - UFPB
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA NATUREZA – CCEN / Dep. de Química
FÍSICO-QUÍMICA: 2º Unidade (2a Lei da Termodinâmica e Energia livre de Gibbs).
Noções de Termodinâmica (Segunda Lei)
1. Um peixinho de aquário nada em uma tigela de água, a 20 °C. Durante um certo período
de tempo, o peixe transfere 120 J para a água, como resultado do seu metabolismo. Qual
a variação da entropia da água?
[Resp.: +0,410 J·K-1]
2. Uma amostra de alumínio, de massa igual a 1,25 kg, é resfriada, a pressão constante, de
300 K para 260 K. Calcule (a) a energia que deve ser removida como calor e (b) a
variação de entropia da amostra. A capacidade calorífica do alumínio é 24,35 J·K-1mol-1, e
sua massa molar é 26,98 g·mol-1.
[Resp.: (a) -45,1 kJ; (b) -161 J·K-1]
3. Calcule a variação de entropia molar quando o dióxido de carbono se expande
isotermicamente de 1,5 L para 4,5 L.
[Resp.: +9,1 J·K-1mol-1]
4. Sempre que um gás se expande (quando expiramos, quando um frasco é aberto etc.) o
gás sofre um aumento de entropia. Uma amostra de metano gasoso de massa igual a
25 g, a 250 K e 185 kPa, se expande isotermicamente e (a) reversivelmente e
(b) irreversivelmente até que sua pressão seja de 2,5 kPa. Calcule a variação de entropia
do gás.
[Resp.: +56 J·K-1]
5. Calcule a variação de entropia molar quando uma amostra de argônio for comprimida de
2,0 L para 500 mL e, simultaneamente, aquecida de 300 K para 400 K. Considere CV,m
igual a 3/2R.
[Resp.: -7,9 J·K-1mol-1]
6. A entalpia da transição de fase grafita  diamante, na pressão de 100 kbar e
temperatura de 2000 K, é +1,9 kJ·mol-1. Calcule a variação de entropia da transição.
[Resp.: +0,95 J·K-1mol-1]
7. Em uma determinada reação biológica, que ocorre no seu corpo a 37 °C, a variação de
entalpia é -125 kJ·mol-1, e a variação de entropia é -126 J·K-1mol-1. (a) Calcule a variação
da energia de Gibbs. (b) A reação é espontânea? (c) Calcule a variação total de entropia,
do sistema e das vizinhanças.
[Resp.: (a) -86 kJ·mol-1; (b) Sim, ΔG é negativa; (c) +277 J·K-1mol-1]
8. A capacidade calorífica molar, a pressão constante, de moléculas gasosas lineares é de,
aproximadamente, 7/2R, e no caso de moléculas gasosas não-lineares, 4 R. Determine o
efeito da temperatura na variação da entropia padrão de reação das duas reações a
seguir, quando a temperatura aumenta de 10 K a partir de 273 K a pressão constante:
(a) 2 H2(g) + O2(g)  2 H2O(g); (b) CH4(g) + 2 O2(g)  CO2(g) + 2 H2O(g).
[Resp.: (a) -0,75 J·K-1·mol-1; (b) +0,15 J·K-1·mol-1]
9. A formação da glutamina, a partir de glutamato e íons amônio, necessita de 14 kJ·mol-1
de energia. Essa energia é fornecida pela hidrólise do ATP (trifosfato de adenosina) a ADP
(difosfato de adenosina) na presença da enzima glutamina sintetase. (a) Dado que a
variação da energia de Gibbs para a hidrólise do ATP corresponda a ΔG = -31 kJ·mol-1,
nas condições típicas de uma célula, pode a hidrólise fornecer a energia necessária para a
formação da glutamina? (b) Quantos mols de ATP devem ser hidrolisados para formar
1 mol de glutamina?
[Resp.: (a) Sim; (b) 0,46 mol de ATP]
10.Admita que o raio de uma célula típica seja 10 μm, e que dentro dela 106 moléculas de
ATP são hidrolisadas a cada segundo. Qual é a densidade de potência em watts por metro
cúbico (1 W = 1 J·s-1)? Uma bateria de computador fornece, aproximadamente, 15 W e
tem um volume de 100 cm3. Quem tem maior densidade de potência, a célula ou a
bateria?
[Resp.: Questão teórica...]
	Noções de Termodinâmica (Segunda Lei)
	1. Um peixinho de aquário nada em uma tigela de água, a 20 °C. Durante um certo período de tempo, o peixe transfere 120 J para a água, como resultado do seu metabolismo. Qual a variação da entropia da água?
	2. Uma amostra de alumínio, de massa igual a 1,25 kg, é resfriada, a pressão constante, de 300 K para 260 K. Calcule (a) a energia que deve ser removida como calor e (b) a variação de entropia da amostra. A capacidade calorífica do alumínio é 24,35 J·K-1mol-1, e sua massa molar é 26,98 g·mol-1.
	3. Calcule a variação de entropia molar quando o dióxido de carbono se expande isotermicamente de 1,5 L para 4,5 L.
	4. Sempre que um gás se expande (quando expiramos, quando um frasco é aberto etc.) o gás sofre um aumento de entropia. Uma amostra de metano gasoso de massa igual a 25 g, a 250 K e 185 kPa, se expande isotermicamente e (a) reversivelmente e (b) irreversivelmente até que sua pressão seja de 2,5 kPa. Calcule a variação de entropia do gás.
	5. Calcule a variação de entropia molar quando uma amostra de argônio for comprimida de 2,0 L para 500 mL e, simultaneamente, aquecida de 300 K para 400 K. Considere CV,m igual a 3/2R.
	6. A entalpia da transição de fase grafita  diamante, na pressão de 100 kbar e temperatura de 2000 K, é +1,9 kJ·mol-1. Calcule a variação de entropia da transição.
	7. Em uma determinada reação biológica, que ocorre no seu corpo a 37 °C, a variação de entalpia é -125 kJ·mol-1, e a variação de entropia é -126 J·K-1mol-1. (a) Calcule a variação da energia de Gibbs. (b) A reação é espontânea? (c) Calcule a variação total de entropia, do sistema e das vizinhanças.
	8. A capacidade calorífica molar, a pressão constante, de moléculas gasosas lineares é de, aproximadamente, 7/2R, e no caso de moléculas gasosas não-lineares, 4 R. Determine o efeito da temperatura na variação da entropia padrão de reação das duas reações a seguir, quando a temperatura aumenta de 10 K a partir de 273 K a pressão constante:
	9. A formação da glutamina, a partir de glutamato e íons amônio, necessita de 14 kJ·mol-1 de energia. Essa energia é fornecida pela hidrólise do ATP (trifosfato de adenosina) a ADP (difosfato de adenosina) na presença da enzima glutamina sintetase. (a) Dado que a variação da energia de Gibbs para a hidrólise do ATP corresponda a ΔG = -31 kJ·mol-1, nas condições típicas de uma célula, pode a hidrólise fornecer a energia necessária para a formação da glutamina? (b) Quantos mols de ATP devem ser hidrolisados para formar 1 mol de glutamina?
	10. Admita que o raio de uma célula típica seja 10 μm, e que dentro dela 106 moléculas de ATP são hidrolisadas a cada segundo. Qual é a densidade de potência em watts por metro cúbico (1 W = 1 J·s-1)? Uma bateria de computador fornece, aproximadamente, 15 W e tem um volume de 100 cm3. Quem tem maior densidade de potência, a célula ou a bateria?