LISTA DE EXERCICIOS N2 CAP 2 gabarito

Prévia do material em texto

1 
 
Paulo A. Netz. George Gonzalez Ortega. Livro referência: Fundamentos de 
físico-química:Uma abordagem conceitual para ciências farmacêuticas. 2008 
CAPÍTULO 2 (aula 3) - Introdução á termodinâmica: calor, trabalho, energia e 
os princípios da termodinâmica. Páginas 39 a 55 
Questão 1 - O que é termodinâmica? 
É a ciência que estuda o calor, o trabalho, a energia e as mudanças que eles 
produzem nos estados dos sistemas. estuda as propriedades macroscópicas 
de sistemas materiais e suas relações, mediante uma descrição que considera 
as diferentes formas de manifestação e conversão de energia. 
Questão 2 - Defina os seguintes conceitos: 
a) Sistema: Uma certa porção de matéria que será o objeto de estudo, 
separada do meio externo por fronteiras reiais ou fictícias e 
Suficientemente extensa para poder ser descrita por parâmetros 
macroscópicos. 
b) Fronteira: Superfície fechada, real (uma parede, uma membrana, etc) 
ou abstracta (imaginada por nós), que separa o sistema da sua 
vizinhança. 
c) vizinhança ou meio externo: Aquilo que é exterior ao sistema e com o 
qual o sistema pode, eventualmente, trocar energia e/ou matéria. 
d) Universo: Sistema + vizinhança 
Questão 3 - Indique e descreva a classificação das fronteiras que delimitam 
um sistema termodinâmico quanto à passagem de calor e quanto à sua 
mobilidade. 
 Fronteiras que delimitam o sistema: podem ser classificadas quanto a 
possibilidade de passagem de calor ou quanto à mobilidade. 
 Quanto à passagem de calor: 
 a) diatérmicas – que permitem a passagem de calor 
 b) adiabáticas – que não permitem a passagem de calor 
 Quanto à mobilidade: 
a) fronteiras fixas ou rígidas: Permitem transferência de energia na 
forma de trabalho mecânico. 
b) fronteiras movies: não permitem transferência de energia na 
forma de trabalho mecânico. 
 
2 
 
Questão 4 – Qual é a classificação dos sistemas conforme tipos de fronteiras? 
Descreva as características de cada categoria. 
 Sistemas abertos: separados do meio externo por fronteiras fictícias ou 
permeáveis à matéria. Trocam energia e matéria com o meio ambiente. 
Ex: frascos abertos, seres vivos, células, etc. 
 Sistemas fechados: separados do meio externo por fronteiras 
diatérmicas, rígidas ou flexíveis. Não trocam matéria, mas trocam 
energia sob forma de calor ou trabalho com o meio externo. Ex: certos 
tipos de máquinas, frascos fechados, ferro de passar roupa, agitador 
magnético mecânico. 
 Sistemas isolados: não trocam matéria nem energia (que inclui o 
calor) com o meio ambiente, encontrando-se separados mediante 
fronteiras adiabáticas rígidas (sem variação de volume). Ex: garrafa 
térmica hermeticamente fechada (com certa aproximação) 
Questão 5 – Defina variáveis termodinâmicas de estado e dê cinco exemplos. 
Grandezas macroscópicas mensuráveis e que servem para caracterizar o 
sistema. 
(Ex: temperatura (t), pressão (P), volume (V), magnetização de um ímã (M), 
área superficial de um líquido (S), tensão numa corda (T), etc.) 
Questão 6 – Diferencie propriedades termodinâmicas intensivas e extensivas. 
Dê quatro exemplos para cada uma delas. 
 PROPRIEDADES INTENSIVAS: não dependem da extensão do 
sistema, ou seja, da massa ou do volume do sistema ou substância 
analisada. Ex: densidade, pressão, temperatura, índice de refração. 
 PROPRIEDADES EXTENSIVAS: dependem da extensão do sistema, ou 
seja, da quantidade de matéria considerada. Ex: volume, massa, 
número de mols, entalpia e energia interna. 
Questão 7 – Como podemos transformar uma propriedade extensiva em 
intensiva? Exemplifique. 
 Propriedades molares: propriedades intensivas que são obtidas a partir 
da divisão das propriedades extensivas correspondentes pelo número 
de mols. Ex: volume molar (V), entalpia molar, capacidade calorífica 
molar 
 Propriedades específicas: propriedades intensivas obtidas a partir da 
divisão das propriedades extensivas correspondentes pela massa. Ex: 
calor específico (c=C/m) 
3 
 
Questão 8 – O que a termodinâmica do equilíbrio estuda? Sistemas com valor 
uniforme de temperatura, pressão e potencial químico encontram-se em quais 
tipos de equilíbrio? 
 Estuda as propriedades dos sistemas macroscópicos em um estado de 
equilíbrio ou estável. 
valor uniforme de temperatura: equilíbrio térmico 
valor uniforme de pressão: equilíbrio mecãnico 
valor uniforme de potencial químico: equilíbrio químico 
 
Questão 9 – Quais são as condições necessárias para que um sistema se 
encontre em equilíbrio termodinâmico? 
 Condições necessárias para equilíbrio: 
a) QUIESCÊNCIA (propriedades intensivas não variam com o tempo). 
Ex.: pressão e temperaturas são as mesmas ao longo do tempo 
b) O estado do sistema, quando em equilíbrio, não é alterado por 
pequenas perturbações. 
Questão 10 – Defina os seguintes conceitos: 
a) Temperatura:é uma medida macroscópica do nível de agitação entre 
moléculas, relacionado com o deslocamento da energia cinética de um 
átomo ou molécula. Em Física, a temperatura está relacionada com a 
energia interna (U) de um sistema termodinâmico 
b) Energia interna: 
É a soma de todas as energias de um sistema. 
Incluem vários tipos de energia como: 
- a energia cinética (translação, rotação e vibração), 
- a energia potencial (interação com meio externo via campos 
gravitacional, elétrico, magnético,..) 
- energia de ligação 
- outras. 
No entanto, considera-se que U é constituída majoritariamente de energia 
cinética translacional. 
 
4 
 
c) Calor, calor sensível, calor latente 
Calor: é a transferência de energia devida a uma diferença de temperatura 
entre o sistema e a vizinhança (q). 
• Calor sensível: o calor causa uma variação da temperatura do sistema - 
variação da energia cinética (Haq). 
• Calor latente: o calor não causa variação da temperatura do sistema - 
variação da energia potencial (Htr), ou energia “armazenada”. 
d) Trabalho é o movimento contra uma força que se opõe. 
e) Pressão 
Pressão: 
• força por unidade de área 
• independente da orientação da superfície 
• forças de pressão sempre perpendiculares à superfície 
• a unidade no SI para medir pressão é o Pascal (Pa) 
f) Volume é a quantidade de espaço ocupada por um corpo. 
g) Número de mol: O conceito de mol está intimamente ligado à constante de 
Avogadro, sendo que 1 mol tem aproximadamente 6,022 × 1023 entidades. 
 
Questão 11 – Considerando que 0 °C equivale a 273,15 K (kelvin)= 32 °F 
(Fahrenheit) = 491,67°R (Rankine) e que 100° C equivale a 373,15 K= 212 °F = 
671,67 °R, estabeleça relações matemáticas entre as escalas termométricas 
Celsius e as demais (K, °F e °R). Com base nas relações encontradas, indique 
a temperatura em K, °F e °R de um corpo a 30°C. 
 
X = °C 
Y= K 
A= °F 
Z=°Ra 
 
http://pt.wikipedia.org/wiki/Constante_de_Avogadro
http://pt.wikipedia.org/wiki/Constante_de_Avogadro
http://pt.wikipedia.org/wiki/Constante_de_Avogadro
5 
 
100-X = 373,15-Y = 212-A = 671,67- Z 
100-0 373,15-273,15 212-32 671,67- 491,67 
 
100-X = 373,15-Y = 212-A = 671,67- Z 
100 100 180 180 
 
Celsius x kelvin: Y (K)= X (°C) +273,15 
Celsius x fahrenheit: (100-X) 180 = 100 (212-A) 
18000 - 180X = 21200 – 100 A 
100A = 3200 + 180 X 
A (°F) = 32 + 1,8 X (°C) 
Celsius x Rankine: (100-X) 180 = 100 (671,67-Z) 
18000 - 180X = 67167 – 100 Z 
100Z= 49167 + 180 X 
Z (°Ra) = 491,67 + 1,8 X (°C) 
Para 30°C=303,15K = 545,67 °Ra 
 
Questão 12 – Explique o Princípio Zero da Termodinâmica 
Dois sistemas (A e B) em equilíbrio térmico com um terceiro sistema (C) 
estão também em equilíbrio térmico um com o outro. Isto é, verifica-se a 
propriedade transitiva da relação de equilíbrio térmico. 
Questão 13 – O que é uma Equação de Estado? 
Equação que estabelece uma interrelação entre as propriedades 
termodinâmicas de um sistema em estados de equilíbrio. 
Questão 14 – Diferencie variáveltermodinâmica de estado de função 
termodinâmica de estado. Qual é a principal diferença entre processos e as 
funções e variáveis de estado? 
Funções de estado: propriedades que descrevem o estado de um sistema. 
Variam em função das variáveis de estado. Ex.: energia, pressão e volume. 
Para se determinar uma função de estado, é necessário fixar as variavéis de 
estado. 
 
6 
 
variáveis de estado: propriedades termodinâmicas que descrevem um estado 
de equilíbrio do sistema e podem variar independentemente 
Funções e variáveis de estado descrevem um estado de equilíbrio do sistema e 
não fazem nenhuma referência aos processos que levaram o sistema a este 
estado. Portanto, não dependem dos fatos que conduzem o sistema ao 
equilíbrio. Já o processo depende tanto do estado do sistema quanto dos 
processos envolvidos. 
Questão 15 – Defina os seguintes conceitos: 
Processo: transformação que leva um sistema de um estado inicial a um final. 
Ex.: Calor e trabalho 
Processo cíclico: Estado inicial do sistema é igual ao final 
Processo quase-estático: aquele em que a transformação ocorre a uma 
velocidade infinitamente lenta. 
Processo reversível: processo quase-estático que pode ser considerado em 
equilíbrio durante o decurso do processo. Pode-se retornar ao estado inicial do 
sistema e vizinhança, passando pelos mesmos estados intermediários. 
Apresentam amior controle que processos irreversíveis. Ex.: fusão do gelo em 
água líquida a 1 atm e 0°C. 
Processo irreversível: processo que não retorna à condição inical do sistema 
e vizinhança. Oocorre a uma velocidade mensurável e finita e a uma diferença 
finita de pressão ou temperatura entre o sistema e a vizinhança. Mesmo que 
seja possível o retorno do sistema à mesma condição inicial, é impossível que 
a vizinhança retorne à mesma condição de partida. Inclui a maioria dos 
processos reais. Tem maior tendência em ocorrer e menor rendimento que o 
reversíveis. 
Questão 16 – Indique e descreva a classificação dos processos quanto ao 
controle das propriedades termodinâmicas. 
Processo isobárico: processo que ocorre a pressão constante. 
Processo isotérmico: processo que ocorre a temperatura constante. 
Processo isoméricos ou isocóricos: processo que ocorre a volume 
constante. 
Processo adiabático: processo que ocorre sem troca de calor entre o 
sistema e o meio externo 
 
7 
 
Questão 17 – Diferencie funções de estado de funções de trajetória. Dê 
exemplos para cada uma delas. 
Função de estado: propriedade que não depende do processo (transformação 
que leva o sistema de um estado inicial a um estado final), somente do estado 
inicial e final. Assim como U, P, V, T são funções de estado. 
Função de trajetória ou caminho: estão associadas aos processos e não aos 
estados. são propriedades que dependem da transformação que leva o sistema 
de um estado inicial a um estado final. Q e W 
Questão 18 – O que diz o Primeiro Princípio da Termodinâmica? 
Diz respeito à conservação de energia: trata do balanceamento energético 
entre as quantidades de energia interna (sistema) e externa (vizinhança) 
trocadas durante uma transformação, permanecendo constante durante todo o 
processo. Apesar das interconversões de energia ocorrerem durante o 
processo (calor, trabalho, etc.), a quantidade total de energia do universo 
(sistema +vizinhança) se mantém constante. 
Questão 19 – Considerando os diferentes tipos de transformações em 
sistemas de gases ideais (isobárica, isocórica, isotérmica, adiabática e cíclica), 
descreva as relações entre funções de estado e funções de trajetória com base 
no Primeiro Princípio da Termodinâmica. Ilustre essas relações graficamente. 
Isobárica (P constante) 
Q = ΔU + W. 
 
 
Transformação isotérmica (T constante, U constante) 
 ΔU=0 --- ΔU= Q – W --- 0=Q – W --- Q=W 
Todo calor Q recebido pelo sistema é totalmente transformado em trabalho. 
 
8 
 
 
 
Transformação isocórica, isométrica ou isovolumétrica (V constante) 
Vo=V --- ΔV=0 --- W=P.ΔV --- W=P.0 --- W=0 --- 
ΔU = Q – W --- ΔU=Q – 0 --- 
ΔU=Q 
Todo o calor (Q) recebido pelo sistema é igual à sua variação de energia 
interna (ΔU) 
 
 
Transformação adiabática (sem troca de calor) 
Nela, o sistema isolado não troca calor com o meio externo (Q=0) 
ΔU= Q – W --- ΔU= 0 – W --- ΔU= – W 
Na expansão adiabática (muito rápida e sem troca de calor com o meio 
ambiente), onde Q=0 e ΔU= Q – W --- ΔU= 0 – W -- ΔU= – W 
O volume do gás aumenta (trabalho positivo-sistema realiza trabalho sobre a 
vizinhança) fazendo com que a energia interna fique negativa (ΔU < 0) e 
diminua, diminuindo assim, a pressão e a temperatura, com conseqüente 
resfriamento do gás. 
9 
 
Quando o gás é comprimido pelo meio externo (trabalho negativo- vizinhança 
realiza trabalho sobre o sistema), a pressão interna do gás aumenta com 
conseqüente aumento da temperatura e da energia interna (ΔU >0). 
 
 
Transformação cíclica 
Consiste numa série de transformações gasosas na qual o estado inicial 
coincide com o estado final, com o gás retornando à mesma pressão, volume e 
temperatura iniciais. 
Toda transformação cíclica deve obedecer às seguintes condições: 
Como as temperaturas final e inicial são coincidentes (Ti=Tf), a variação de 
energia interna (ΔU) é nula --- ΔU=0 
ΔU=Q – W --- 0=Q – W --- Qciclo=Wciclo (a quantidade de calor trocada 
com o meio externo é igual ao trabalho realizado na transformação) 
 Em toda transformação cíclica representada no diagrama PxV, o trabalho 
realizado é fornecido pela área do ciclo. 
 Se o ciclo é realizado no sentido horário, o trabalho é positivo. 
 Se o ciclo é realizado no sentido anti-horário, o trabalho é negativo 
 
] 
 
 
10 
 
Questão 20 – Defina Entalpia de um sistema termodinâmico. 
Máxima energia de um sistema termodinâmico, teoricamente passível de ser 
deste removida na forma de calor. 
H = U + PV 
Questão 21 – Em que condições a Variação de Entalpia equivale 
numericamente ao Calor? Exemplifique 
Condições: pressão constante e em processos nos quais há apenas trabalho 
de expansão (aumento de volume;  V >0) temos que: 
H =  U + P  V 
se  U = Q – W = Q - P  V, logo 
H = Q - P  V + P  V = Q 
H = Q (entalpia equivale ao calor trocado entre o sistema e o meio externo à 
pressão constante) 
Questão 22 – Para sólidos e líquidos, considera-se que a variação de Entalpia 
equivale numericamente à variação de Energia Interna do Sistema. Qual a 
justificativa para essa equivalência? 
Justificativa: apresentam volumes molares muito pequenos e por sofrerem 
variações de volume muito pequenas ( V →0), o trabalho de expansão pode 
ser desprezado. Assim, a energia fornecida pelo meio externo ao sistema sob 
forma de calor é totalmente convertida em energia interna 
H = U + PV 
Se P= constante e  V = 0, H =  U 
 
Questão 23 – Como é a relação entre a variação de Entalpia e a variação de 
energia interna para: 
a) gases (ideais) em transformações isotérmicas (com reações química ou 
mudança de fase) 
H =  U +  (P V) 
Se PV=nRT, R e T ctes ;  (P V) =n (RT) 
H = U + RTn 
 
11 
 
b) gases (ideais) (sem reações químicas 
c) ou mudança de fase) 
H =  U +  (P V) 
Questão 24 – Defina calor específico e capacidade calorífica de uma 
susbtância. 
capacidade calorífica: relação entre a quantidade de calor q fornecida a um 
corpo e a variação de temperatura nele 
calor específico: quantidade de calor absorvida por 1 grama de certa substância 
que sofre uma variação de 1°C na temperatura 
Questão 25 – O que diz o Segundo Princípio da Termodinâmica? Descreva os 
enunciados de Clausius e Kelvin-Planck. 
A segunda Lei nos fornece uma ideia a respeito dos critérios de 
espontaneidade e irreversibilidade das transformações naturais 
Enunciado de Clausius: 
 O calor não pode fluir, de forma espontânea, de um corpo detemperatura menor, para um outro corpo de temperatura mais alta. O sentido 
natural do fluxo de calor é da temperatura mais alta para a mais baixa, e que 
para que o fluxo seja inverso é necessário que um agente externo realize um 
trabalho sobre este sistema 
Enunciado de Kelvin-Planck: 
 É impossível remover energia térmica de um sistema a uma certa 
temperatura e converter essa energia integralmente em trabalho mecânico sem 
que haja uma modificação no sistema ou em suas vizinhanças. É impossível 
que uma máquina térmica, operando em ciclos, tenha como único efeito a 
extração de calor de um reservatório e a execução de trabalho integral dessa 
quantidade de energia. 
Questão 26 – Calcular o trabalho realizado pelo sistema em uma expansão 
isotérmica, a 27°C, partindo de um estado inicial de pressão de 1 atm até um 
estado final de 0,2 atm, supondo que a expansão se dê: 
a) Em uma etapa irreversível, contra Pext = 0,2 atm 
b) Em duas etapas irreversíveis, contra Pext= 0,6 atm e 0,2 atm 
c) Em quatro etapas irreversíveis, contra Pext= 0,8 atm, 0,6 atm, 0,4 atm e 
e 0,2 atm 
d) Reversivelmente 
Todas as transformações estão em conformidade com a Figura 2.5. 
12