QUIMICA - TERMODINAMICA

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO
CENTRO ACADÊMICO DO AGRESTE
NÚCLEO DE TECNOLOGIA
CURSO DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO
TERMODINÂMICA
ALUNOS: ÁGATHA ISABELE DA SILVA LIMA,
MARIA FERNANDA DOS SANTOS NASCIMENTO,
MAYARA VERAS NOBREGA DOS NASCIMENTO,
REGINA BEZERRA BUSCH,
WENDY ALEX DE SOUZA ALEIXO.
TURMA: ENGENHARIA DE PRODUÇÃO 2020.1
DISCIPLINA: QUÍMICA GERAL 1
PROFESSOR: HIUQUEM LOPES
GRUPO: 01
CARUARU
2021
1. LEIS DA TERMODINÂMICA.
Lei zero: Dois sistemas em equilíbrio térmico com um terceiro estão em equilíbrio
térmico entre si. Esta lei justifica o conceito de temperatura como sendo a propriedade que,
sendo igual para dois sistemas, indica que estão em equilíbrio térmico. Em termos práticos,
para saber se dois sistemas têm a mesma temperatura não é necessário colocá-los em contato
térmico entre si, bastando verificar se ambos estão em equilíbrio térmico com um terceiro
corpo, chamado termômetro.
Primeira Lei: Se um sistema troca energia com a vizinhança por calor e por trabalho,
então a variação da sua energia interna é dada por: ΔU = Q − W. Esta lei representa a
aplicação do princípio de conservação da energia a sistemas termodinâmicos. W representa a
quantidade de energia transferida do sistema para a vizinhança por trabalho e Q representa a
quantidade de energia transferida da vizinhança para o sistema por calor.
Segunda Lei: As transferências de calor ocorrem sempre do corpo mais quente para o
corpo mais frio, isso acontece de forma espontânea, mas o contrário não. O que significa
dizer que os processos de transferência de energia térmica são irreversíveis. Desse modo, pela
Segunda Lei da Termodinâmica, não é possível que o calor se converta integralmente em
outra forma de energia. Por esse motivo, o calor é considerado uma forma degradada de
energia.
Terceira Lei: Surge como uma tentativa de estabelecer um ponto de referência
absoluto que determine a entropia. A entropia é, na verdade, a base da Segunda Lei da
Termodinâmica. Walther Nernst, o físico que a propôs, concluiu que não era possível que
uma substância pura com temperatura zero apresentasse a entropia num valor aproximado a
zero. Por esse motivo, trata-se de uma lei polêmica, considerada por muitos físicos como uma
regra e não uma lei.
2. TERMODINÂMICA E EQUILÍBRIO QUÍMICO
O equilíbrio químico é um estado em que a velocidade da transformação dos
reagentes em produtos é exatamente igual à velocidade da transformação dos produtos em
reagentes. Nessas condições, não há transformação aparente do sistema, mas as reações direta
e inversa se processam simultaneamente a uma mesma velocidade. A termodinâmica tem
como objetivos estabelecer os critérios para se determinar a estabilidade da matéria, as
condições e a direção com que uma transformação física ou química espontânea ocorre.
Com a definição acima, podemos estabelecer que o equilíbrio químico é um estado de
máxima estabilidade termodinâmica para o qual um sistema químico tende espontaneamente,
à temperatura e pressão fixas.
3. ENTALPIA
Entalpia, por vezes referida como entalpia absoluta, é uma grandeza física definida no
âmbito da termodinâmica clássica de forma que esta meça a máxima energia de um sistema
termodinâmico, teoricamente passível de ser deste removida na forma de calor. É
particularmente útil na compreensão e descrição de processos isobáricos [1]: à pressão
constante as variações de entalpia encontram-se diretamente associadas às energias recebidas
pelo sistema na forma de calor, estas facilmente mensuráveis em calorímetros. Conforme
definida, a entalpia engloba em si não apenas a energia interna do sistema mas também a
energia armazenada no conjunto sistema-vizinhança que, absorvida pelo sistema via trabalho
realizado pela vizinhança sobre este em processos termodinâmicos que impliquem a
diminuição de seu volume, também integra uma parcela de energia passível de ser extraída na
forma de calor a partir do referido sistema. A entalpia mensura pois a totalidade de energia de
alguma forma atrelada ao sistema - incluindo-se nesta não apenas a energia encerrada no
sistema como também a energia atrelada ao sistema em virtude das relações que este
estabelece com a sua vizinhança. Em acordo com o apresentado, a entalpia absoluta ou
simplesmente entalpia, H, define-se por:
Onde U representa a energia interna do sistema e PV mensura a quantidade de energia
associada ao conjunto sistema-vizinhança devido ao fato do sistema ocupar um volume V
quando submetido à pressão constante P, ou seja, o máximo trabalho executável pela
vizinhança sobre o sistema.
4. ENTROPIA
A entropia (S) é uma grandeza termodinâmica que mede a desordem de um sistema e a
espontaneidade dos processos físicos.A grandeza termodinâmica denominada Entropia,
simbolizada pela letra S, está relacionada ao grau de organização de um sistema. Quanto
maior a desordem do sistema, maior a entropia. A variação da entropia, ∆S, é medida por:
∆S = Sfinal - Sinicial
∆S > 0 → entropia aumenta (aumento de desordem)
∆S < 0 → entropia diminui (diminuição da desordem)
A entropia e a desordem de um sistema tem a ver com a espontaneidade de processos
físicos. Se a entropia e a desordem aumentam, quer dizer que o processo é espontâneo.
A variação da entropia também pode ser medida, em sistemas isotérmicos (de mesma
temperatura) pela seguinte equação:
∆S = qrev/T
E que:
q rev= energia de forma reversível ao calor; T= temperatura.
Visto que a variação da entropia é diretamente proporcional à temperatura, temos que
em temperaturas mais baixas, a desorganização será menor. Outra forma de calcular a
variação da entropia é relacionada ao calor:
∆E = T . ∆S
5. ENERGIA LIVRE DE GIBBS
É a energia da qual uma reação dispõe para realizar trabalho útil (transformação da
matéria) numa dada temperatura e pressão. A energia livre é uma grandeza termodinâmica
que é uma fração da energia útil do sistema (visto que, em um processo, a energia nunca é
totalmente convertida em trabalho). Essa grandeza termodinâmica é usada para prever com
mais certeza a espontaneidade de uma reação química (pela equação de Gibbs-Helmholtz).
Uma reação espontânea é uma reação que, uma vez iniciada, continua a reagir sozinha, até
que todo potencial de reação acabe.
Equação de Gibbs-Helmholtz: ΔG = ΔH – T x ΔS
ΔG: Variação da energia livre, ΔH: Variação da entalpia, T: Temperatura (K), ΔS:
Variação da entropia.
O valor de ΔG determina a espontaneidade de uma reação; Se o valor de ΔG der
menor que negativo, isso indica que a energia livre do sistema reduziu, o que indica que é
uma reação espontânea (o oposto também é verdadeiro). Quando a variação de energia livre é
igual a zero, isso indica que não houve variação das substâncias envolvidas, ou seja:
ΔG > 0: Reação não espontânea, ΔG < 0: Reação espontânea, ΔG = 0: Sistema em
equilíbrio.
6. ENERGIA LIVRE E TEMPERATURA
Para podermos verificar como a é energia livre é afetada pela temperatura devemos
analisar a equação ΔG = ΔH - TΔS = Δ H + (-TΔS); (ΔT é tempo de entalpia e TΔS é tempo
de entropia). Uma vez que o valor de -TΔS depende diretamente da temperatura absoluta T,
ΔG vai variar conforme a temperatura. Sabendo é o termo de entalpia ΔH, pode ser positivo
ou negativo e o termo entropia -TΔS também pode ser positivo ou negativo e que T é um
número positivo sob qualquer temperatura diferente do zero absoluto. Para um numero maior
de microestados ΔS deve ser positivo (que indica que o estado final apresenta maior
aleatoriedade que o inicial), o termo -TΔS será negativo. Quando o termo ΔS é negativo o
termo -TΔS é positivo.
O sinal de ΔG dependerá dos sinais das ordens de grandeza ΔH e TΔS, assim
saberemos se um processo é espontâneo.
EXEMPLOS:
● LEIS DA TERMODINÂMICA
Certa máquina térmica recebe 500 J de calor e realiza um trabalho de 125 cal. Sendo 1 cal = 4
J, marque a alternativa correta.
a) Essa máquina contraria a primeira lei da Termodinâmica.
b) A máquina não contraria a segunda lei da Termodinâmica.
c) O rendimento dessa máquina é de 25%.
d) A máquina não contraria a primeiralei da Termodinâmica, que trata sobre a conservação
da energia.
e) Como o rendimento da máquina é de 25%, podemos afirmar que ela não contraria a
primeira lei da Termodinâmica.
Resposta: O trabalho de 125 cal corresponde a 500 J (125 cal x 4J = 500 J), logo, toda a
energia recebida pela máquina é convertida em trabalho. Isso não contraria a primeira lei
da Termodinâmica, que prevê esse tipo de situação para uma transformação isotérmica, mas
contraria a segunda lei, pois é impossível haver máquinas térmicas com rendimento igual a
100%.
● TERMODINÂMICA E EQUILÍBRIO QUÍMICO
Nas condições ambientes, é exemplo de sistema em estado de equilíbrio uma:
a) xícara de café bem quente;
b) garrafa de água mineral gasosa fechada;
c) chama uniforme de bico de Bunsen;
Resposta: b). O estado de equilíbrio é caracterizado quando as taxas de desenvolvimento
(velocidade) das reações direta e inversa igualam-se sob temperatura constante. Somente na
alternativa “b” não há troca de calor com o ambiente, pois é um sistema fechado, enquanto
as demais situações trocam matéria, calor e sofrem alteração na temperatura ao longo do
tempo.
● ENTALPIA
Resposta: d).
● ENTROPIA
Durante um processo espontâneo, podemos afirmar que a entropia de um sistema
termodinâmico:
a) sempre diminui.
b) permanece constante.
c) aumenta até um valor máximo.
d) diminui até chegar a zero.
e) aumenta e depois diminui até chegar a zero.
Resposta: Letra (C)
● ENERGIA LIVRE DE GIBBS
Considere essa reação:
C(grafite) + 2 O2 → CO2 ∆H < 0 e ∆S < 0
Qual das afirmações propostas a seguir é a correta?
a) não é espontânea, no caso de | ΔH | > | T x ΔS |.
b) nunca é espontânea, independentemente da temperatura.
c) é espontânea apenas se | ΔH | > | T x ΔS |.
Resposta: c). O enunciado apresenta ΔH e ΔS negativos. Para que o sistema seja
espontâneo, o ΔG deve ser negativo. Como o ΔS é negativo, o produto modular (T x ΔS) é
positivo. Assim, o valor modular do ΔH deve ser maior que o produto entre T x ΔS.
● ENERGIA LIVRE E TEMPERATURA
Vamos a fusão do gelo em água líquida a 1 atm de pressão:
H2O(s)->H2O(l), ΔH >0 e ΔS>O
Esse processo é endotérmico, ou seja, ΔH é positivo. Visto que a entropia aumenta durante
esse processo, ΔS é positivo, o que torna -TΔS negativo. A temperaturas abaixo de O ºC (273
K), o módulo de ΔH é maior que o de -TΔS. Consequentemente, o termo de entalpia positivo
domina, levando a um valor positivo de ΔG. Esse valor significa que a fusão do gelo não é
espontânea para T < O ºC, como atesta nossa experiência diária; em vez disso, o processo
inverso, isto é, o congelamento da água líquida, é espontâneo nessas temperaturas.
REFERÊNCIAS:
https://exercicios.brasilescola.uol.com.br/exercicios-quimica/exercicios-sobre-energia-livre-g
ibbs.htm
https://m.mundoeducacao.uol.com.br/quimica/energia-livre-gibbs.htm
BROWN, Theodore. Química: A Ciência Central. Vol.1, 13ªEd. São Paulo. Pearson, 2017
https://brasilescola.uol.com.br/o-que-e/fisica/o-que-e-entropia.htm
https://exercicios.brasilescola.uol.com.br/exercicios-quimica/exercicios-sobre-energia-livre-gibbs.htm
https://exercicios.brasilescola.uol.com.br/exercicios-quimica/exercicios-sobre-energia-livre-gibbs.htm
https://m.mundoeducacao.uol.com.br/quimica/energia-livre-gibbs.htm