Aula 06 e 07 - termodinâmica - conceitos básicos

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11/11/2015
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Termodinâmica:
Conceitos básicos
Endi Pricila Alves
Disciplina: Físico-química
Sistema Termodinâmico
 Sistema termodinâmico consiste em uma quantidade de matéria ou
região para a qual nossa atenção está voltada.
 Demarcamos um sistema termodinâmico em função daquilo que
desejamos calcular.
 Tudo que se situa fora do sistema termodinâmico é chamado MEIO ou
VIZINHANÇA.
 O sistema termodinâmico a ser estudado é demarcado através de uma
FRONTEIRA ou SUPERFÍCIE DE CONTROLE a qual pode ser móvel, fixa,
real ou imaginária.
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Sistema Termodinâmico
 Sistema Fechado - É o sistema termodinâmico no qual não há fluxo de
massa através das fronteiras que definem o sistema.
 Volume de Controle - Ao contrário do sistema fechado, é o sistema
termodinâmico no qual ocorre fluxo de massa através da superfície de
controle que definem o sistema.
Sistema fechado Volume de controle
Sistema Termodinâmico
 Assim, dependendo da interação entre o sistema termodinâmico
definido para estudo, e a vizinhança, chamaremos a essa região de
Sistema Fechado (demarcado pela fronteira) ou Volume de Controle
(demarcado pela superfície de controle).
 Sistema Isolado - Dizemos que um sistema termodinâmico é isolado
quando não existe qualquer interação entre o sistema termodinâmico
e a sua vizinhança. (ou seja, através das fronteiras não ocorre fluxo
de calor, massa, trabalho etc.)
Sistema fechadoSistema aberto Sistema isolado
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 Sabe-se que um sistema isolado termicamente não muda seu estado – não
muda sua temperatura. Neste caso, dizemos, então, que as paredes do
recipiente são adiabáticas. Um sistema não isolado termicamente possui
paredes diatérmicas.
 Um processo que cede energia na forma de calor é exotérmico 
reações de combustão.
 Os processos que absorvem calor são endotérmicos  vaporização da
água
Sistema Termodinâmico
 Processo - O caminho definido pela sucessão de estados através dos
quais o sistema passa é chamado processo.
 Exemplos de processos:
 - Processo Isobárico (pressão constante)
 - Processo Isotérmico (temperatura constante)
 - Processo Isocórico (isométrico) (volume constante)
 - Processo Isoentálpico (entalpia constante)
 - Processo Isoentrópico (entropia constante)
 - Processo Adiabático (sem transferência de calor)
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Lei Zero da Termodinâmica 
 Quando dois corpos tem a mesma temperatura dizemos que
estão em equilíbrio térmico entre si.
 Podemos definir a lei zero da termodinâmica como:
" Se dois corpos estão em equilíbrio térmico com um terceiro
eles estão em equilíbrio térmico entre si ".
A lei zero da termodinâmica define os medidores de temperatura,
os TERMÔMETROS.
Trabalho e calor: troca de energia entre 
o sistema e a vizinhança
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Energia interna (U)
 A energia total de um sistema, na termodinâmica, é a energia interna, U.
 Essa energia é a soma das energias cinética e potencial das moléculas que
compõem o sistema.
 A variação da energia interna quando o sistema passa do estado inicial i,
com energia interna Ui, para o estado final f, com energia interna Uf, é
simbolizado por ΔU e se tem:
Δ𝑈 = 𝑈𝑓 − 𝑈𝑖
 A energia interna é uma função de estado, pois o seu valor depende
exclusivamente do estado em que está o sistema e não depende da forma
pela qual o sistema chegou a esse estado.
 É uma função das propriedades que identificam o estado em que está o
sistema. A alteração de qualquer variável do estado (ex. pressão) provoca
modificação da energia interna, pois ela é uma propriedade extensiva.
 A energia interna, o calor e o trabalho medem-se no SI em Joules (J)
 A variação da energia interna molar é medida em (kJ/mol)
Conservação da energia
 A energia interna de um sistema pode ser alterada pelo trabalho
efetuado sobre o sistema, ou pelo aquecimento do sistema.
 O calor e o trabalho são maneiras equivalentes de se alterar a energia
interna do sistema.
 Se w for o trabalho realizado sobre o sistema, se q for a energia
transferida como calor para o sistema e se ΔU for a variação da energia
interna, tem-se a primeira lei da Termodinâmica:
Δ𝑈 = 𝑞 + 𝑤
 Generalizando, temos que:
 Primeira Lei: A variação da energia interna U é resultado do balanço
entre o trabalho W realizado (ou recebido) pelo sistema e a energia
térmica (calor) Q adicionada (ou removida) do sistema.
𝑑𝑈 = 𝑑𝑄 + 𝑑𝑊
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Exemplo de aplicação
 Um certo sistema realiza um trabalho de 200J e ao mesmo tempo
absorve 150J de calor. De quanto variou a energia interna do sistema?
 Δ𝑈 = 𝑞 +𝑤
 ΔU = + 150 –200 = –50J.
 Para o sistema realizar trabalho, implica que o trabalho é negativo
(pois o sistema está perdendo energia) e ao mesmo tempo o calor
transferido para o sistema (calor absorvido é positivo) tende a
aumentar a energia interna.
Variedade de trabalhos
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Trabalho de um gás
Trabalho de um gás
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Função de estado
Função de estado
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Função de estado
O Trabalho (w) não é uma função de estado
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O Calor (q) não é uma função de estado
Processos reversíveis e irreversíveis
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Processos reversíveis
Processos reversíveis
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Processos reversíveis
Exemplos – processo adiabático
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Exemplos
Exemplos
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Exemplos
Exemplos
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Exemplos
Exercício 
 O gás no cilindro do item anterior, inicialmente com volume V1 e pressão P1,
expande-se para o volume V2 e pressão P2 de duas formas, indicadas pelos
caminhos ABC (processo 1) e ADC (processo 2). Veja a figura a seguir.
 O calor absorvido pelo gás durante o processo 1 é 9,5 kJ e o trabalho
realizado pelo sistema em expansão é de 4,4 kJ.
 a. Se o trabalho realizado pelo sistema no processo 2 é de 1,3 kJ, quanto de
calor o sistema recebe (ou perde) em cada caso?
 b. O sistema é comprimido de volta à sua pressão e a volumes originais no
proces-so CA no qual o trabalho realizado no sistema é de 2,5 kJ. Quanto de
calor é absorvido ou emitido?
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Exercício 
 a. Da primeira lei, podemos encontrar o valor de no processo 2, pois temos o
valor do trabalho e do calor.
 Assim, ABC
 Δ𝑈 = 𝑄 +𝑊
 ΔU = + 9,5 + (–4,4) = 5,1 kJ
 Porém, tanto o caminho ABC quanto o caminho ADC tem a mesma
variação de energia interna, pois P e V (e portanto T) são os mesmos no início
e no fim para os dois caminhos, e U só depende da temperatura.
 Assim, ADC
 Δ𝑈 = 𝑄 +𝑊
 𝑄 = Δ𝑈 −𝑊
 Q = 5,1 – (-1,3) = 6,4 kJ
 b. CA Como o sistema vai de C para A, a variação de energia interna é a
mesma do item anterior, só que com o sinal oposto.
 Assim, ΔU = –5.1 kJ e da segunda lei:
 Q = (-5,1) – (+2,5) = -7,6 kJ.
Transferência de calor a volume constante
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Entalpia (H)
Entalpia (H)
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Capacidade calorífica a V e p constantes
Capacidade calorífica a V e p constantes
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Capacidade calorífica a V e p constantes
Calor específico
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Capacidade calorífica molar
Calor específico e capacidade calorífica 
molar
moléculas mais 
complexas
 maior número de 
modos de armazenar 
energia
 maior a capacidade 
calorífica
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Calorimetria 
Calorimetria 
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Calorimetria 
Exercícios 
1) Numa transformação isotérmica de um gás ideal, o produto p.V é constante
e vale 33.240J. A constante dos gases perfeitos é 8,31J/mol.K e o número de
mols do gás é n=5. Durante o processo, o gás recebe do meio exterior 2.000J
do calor. Determine:
a) Se o gás esta sofrendo expansão ou compressão;
b) A temperatura do processo;
c) A variação da energia interna do gás;
d) O trabalho realizado na transformação.
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Exercícios 
a) Recebendo calor, o gás realiza trabalho sobre o meio exterior e, portanto, se
expande. O processo em questão é uma expansão isotérmica.
b) Sendo p.V=33.240J, n=5 R=8,31 J/mol.k e aplicando a equação de Clapeyron,
resulta:
p.V=n.R.T
33.240=5x8,31xT
T=800 K
c) Numa transformação isotérmica, não havendo variação de temperatura, é nula a
variação de energia interna e de acordo com a lei do Joule, temos:
∆U=0
d) O gás recebe 2000J de calor: Q=2000J. Pela primeira lei da Termodinâmica
temos:
∆U=Q+W
0=Q+W
-W=Q
W= -2000J
Assim o trabalho realizado é de W= -2000J.
Exercícios 
2) Quando um gás ideal sofre uma expansão isotérmica.
a) a energia recebida pelo gás na forma de calor é igual ao trabalho
realizado pelo gás na expansão.
b) não troca energia na forma de calor com o meio exterior.
c) não troca energia na forma de trabalho com o meio exterior.
d) a energia recebida pelo gás na forma de calor é igual à variação da
energia interna do gás.
e) o trabalho realizado pelo gás é igual à variação da energia interna
do gás.