Estudo Dirigido FQI

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Estudo Dirigido 01 
01) Em físico-química pode-se destacar importantes áreas, entre elas a termodinâmica no equilíbrio 
(clássica), a mecânica quântica e a termodinâmica estatística. Discuta sobre o objeto de estudo 
dessas três relevantes áreas relacionando-as. 
 
02) O que você entende por propriedade físico-química? Cite algumas propriedades físico-químicas 
explicitando as características que todas elas possuem? Apesar das diferentes propriedades que 
o sistema apresenta, do ponto de vista molecular, o que todas elas tem em comum? 
 
03) Discuta os diversos tipos de equilíbrio com os quais você já se deparou na química (mecânico, 
térmico, material, cinético)? De modo objetivo como você definiria o equilíbrio (tente pensar no 
que todos esses tipos de equilíbrio tem em comum)? 
 
04) No caso específico da termodinâmica clássica, por que se trabalha com propriedades médias 
temporais ? Isso tem alguma relação com a condição de equilíbrio do sistema? 
 
05) O que você entende por estado termodinâmico do sistema? 
 
06) Um sistema que se encontra num estado metaestável (defina estado metaestável?) é retirado do 
contato com suas vizinhanças. Observou-se, contudo, que algumas das propriedades físico-
químicas desse sistema sofreram variações com o passar do tempo até se estabilizarem num 
novo estado? Discuta esse fato. 
 
07) Um sistema é constituído de duas câmaras, como mostrado na figura abaixo. Cada câmara está 
preenchida por um gás num estado físico-químico bem definido e separados por uma parede 
móvel inicialmente fixa por meio de presilhas. 
 
Discuta em termos macroscópicos e moleculares (microscópicos) o que acontecerá com o sistema 
quando a presilha for retirada, se, inicialmente: 
a) TA=TB; PA>PB; VA=VB 
b) TA<TB; PA=PB; VA=VB 
c) TA>TB; PA=PB; VA<VB 
d) TA=TB; PA=PB; VA=VB 
e) TA=TB; PA=PB; VA<VB 
Obs.: desconsidere a dependência entre as propriedades termodinâmicas envolvidas! 
 
08) Num dia frio, uma criança que estava andando sobre os trilhos de uma antiga ferrovia já 
desativada, sentiu que o trilho estava mais “frio” que a madeira que o sustentava. Contando o 
fato para os seus amigos, esses lhe explicaram que o fato ocorria porque o trilho estava a uma 
temperatura menor que a da madeira. Baseado nos seus conhecimentos de termodinâmica 
A B
Parede móvel
GÁSGÁS
(T , P , V )
A A A
(T , P , V )
B B B
Presilha
discuta o fato acima explicitando se a interpretação das crianças é correta ou não. (Sugestão: 
lembre-se do enunciado da Lei Zero da Termodinâmica.) 
 
09) O que você entende por variável e função termodinâmica? Discuta a relação dessas com o 
estado termodinâmico de um sistema. 
 
10) O que você entende por variável intensiva e extensiva de um sistema? Cite exemplos. Existe 
alguma facilidade, no seu entender, em trabalhar com variáveis intensivas ou com as variáveis 
extensivas de um sistema, por exemplo, quando a medida de uma propriedade se faz necessária? 
 
11) 5g de etano estão contidas num bulbo de 1dm3 de capacidade. O bulbo é tão fraco que romperá 
se a pressão exceder 1 MPa. A que temperatura a pressão do gás atingirá o valor de ruptura? 
 
12) Um cilindro grande para estocar gases comprimidos tem um volume de cerca de 0,050 m3. Se o 
gás é estocado sobre uma pressão de 15 MPa a 300 K, quantos moles do gás estão contidos no 
cilindro? Qual será a massa de oxigênio em tal cilindro? 
 
13) Considere uma mistura gasosa num recipiente de 2 dm3 a 27 ºC. Para cada mistura, calcule a 
pressão parcial de cada gás, a pressão total e a composição da mistura em percentagem molar. 
Compare os resultados dos quatro cálculos. 
a) 1g H2 e 1g O2 
b) 1g N2 e 1g O2 
c) 1g CH4 e 1g NH3 
d) 1g H2 e 1g Cl2 
 
14) Uma amostra de ar é coletada sobre água a 20o.C. No equilíbrio a pressão total do ar úmido é 1 
atm. A pressão de vapor de água no equilíbrio, a 20 ºC, é 17,54 torr; a composição do ar seco é 
78 mol % de N2, 21 mol % de 02 e 1 mol % de Ar. 
 
a) Calcule as pressões parciais de nitrogênio, oxigênio e argônio na mistura úmida. 
b) Calcule as frações molares de nitrogênio, oxigênio, argônio e água na mistura úmida. 
 
 
15) A pressão total de uma mistura de oxigênio e nitrogênio é 1,00 atm. Após se inflamar a mistura, 
a água formada é retirada. O gás restante é hidrogênio puro e exerce uma pressão de 0,40 atm, 
quando medido nas mesmas condições de T e V da mistura original. Qual era a composição 
original da mistura (% molar)? 
 
16) Interprete os seguintes gráficos: 
(a) (b) 
 
 (c) (d) 
0 100 200 300 400 500 600
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
 P
1
 = 1 atm
 P
2
 = 2 atm
 P
3
 = 3 atm
V
m
 /
(c
m
3
)
T / K
0 100 200 300 400 500 600
0
1
2
3
4
5
 V
m1
=10 dm
3
.mol
-1
 V
m2
=20 dm
3
.mol
-1
 V
m3
=30 dm
3
.mol
-1
p
 /
 a
tm
T / K
0
1
2
3
4
5
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
 T
1
 122 K
 T
2
 312 K
 T
3
 487 K
V
m
/(dm
3
.mol
-1
)
P
 /
 a
tm
0 1 2 3 4 5
0,000
0,001
0,002
0,003
0,004
0,005
 T
1
= 122 K
 T
2
= 312 K
 T
3
= 487 K
p
 /
 a
tm
1/V
m
 / (mol.dm
-3
)
17) Observe os diagramas abaixo: 
 
 
(a) (b) 
 
Figura 1 – (a) Divisão no lugar. (b) Divisão removida. 
 
 
(c) (d) 
 
Figura 2 – (c) Divisão no lugar. (d) Divisão removida. 
 
Explique os processos que ocorrem nos diagramas mostrados nas figuras 1 e 2. Defina pressão 
parcial de gases e calcule-as quando for o caso. Finalmente, utilize um sistema de duas câmaras 
(parecidos com os da figura acima, mas sem o manômetro) contendo em cada uma das câmaras um 
gás puro (por exemplo: 2 moles de H2 e 3 moles de Ar) e separados por uma parede removível. 
Calcule as frações molares na situação inicial (as câmaras estão separadas pela parede!) e na 
situação final (a parede foi removida). Considere ainda que a temperatura é constante e igual a 
300K e as pressões exercidas pelos gases são de 50 KPa e 110 KPa, respectivamente, calcule as 
pressões parciais dos gases depois que as paredes foram removidas e ainda, calcule os respectivos 
volumes das câmaras. 
 
18) Construa qualitativamente diagramas de energia que represente a dependência da interação 
entre um par de moléculas esféricas com a distância para: 
Folha de Paládio
H
2
p = 100 KPa
V
T
p = 0 KPa
V
100 KPa
Folha de Paládio
H
2
p = 50 KPa
2V
T
100 KPa
38 cm
Folha de Paládio
H
2
p = 100 KPa
V
T
p = 0 KPa
V
100 KPa
Folha de Paládio
H
2
p = 50 KPa
2V
T
100 KPa
38 cm
Folha de Paládio
H
2
p = 100 KPa
V
T
p = 100 KPa
V
100 KPa
Folha de Paládio
H + N
2 2
P = 100 KPa
P = 50 KPa
P = 50 KPa
2V
T
H
N
h
2
100 KPa
38 cm
N
2
T
a) O modelo de gás ideal; 
b) O modelo de gás de van der waals com primeira correção de volume das partículas (esfera 
rígida); 
c) O modelo completo de van der waals; 
d) Um modelo mais realístico ainda que o de van der waals. 
 
19) Explique passo a passo as considerações de Van der Waals que propiciaram a construção da 
Equação de Estado para gases que leva seu nome. 
 
20) Apresente diagramas PxV com diversas isotermas para: (a) gás perfeito; (b) gás de van der 
Waals; (c) gás real. Discuta com detalhes cada um desses diagramas comparando-os. 
 
21) As coordenadas críticas do metano são Pc = 45,6 atm, Vc = 98,7 cm3 e Tc = 190,6 K. Calcular 
as constantes de van der Waals do gás e estimar o raio das moléculas. 
 
22) Qual a importância e implicações práticas das condições críticas do sistema. Discuta. 
 
23) Um vaso de 22,42 L contém 2,0 mol de H2 e 1,0 mol de N2, a 273,15 K. Calcular (a) as frações 
molares de cada componente da mistura, (b) as respectivas pressões parciais e (c) a pressão no 
vaso. 
 
24) Um gás a 250 K e 15 atm tem volume molar 12% menor do que o calculado pela lei dos gases 
perfeitos. Calcular (a) o fator de compressibilidade nestascondições e (b) o volume molar do 
gás. Que forças são dominantes no gás, as atrativas ou as repulsivas? Explique. 
 
25) Um gás a 350 K e 12 atm tem volume molar 12% maior do que o calculado pela lei dos gases 
perfeitos. Calcular (a) o fator de compressibilidade nestas condições e (b) o volume molar do 
gás. Que forças são dominantes no gás, as atrativas ou as repulsivas? Explique. 
 
26) Num processo industrial, o nitrogênio é aquecido a 500K num vaso de volume constante igual a 
1,000 m
3
. O gás entra no vaso a 300 K e 100 atm. A massa do gás é 92,4 kg. Use a equação de 
van der Waals para determinar a pressão aproximada do gás na temperatura de operação de 500 
K. Para o nitrogênio, a = 1,408 L
2
 atm mol
-1
 e b = 3,91 x 10
-2
 L mol
-1
. 
 
27) Os cilindros de gás comprimido são cheios, nos casos comuns, até a pressão de 200 bar. Qual 
seria o volume molar do oxigênio, nesta pressão e a 25ºC, com base na equação (a) dos gases 
perfeitos e (b) de van der Waals? Para o oxigênio, a = 1,378 L
2
 atm mol
-1
 e b = 3,183 x 10
-2
 L 
mol
-1
. 
 
28) As coordenadas críticas do etano são Pc = 48,20 atm, Vc = 148 cm3 mol-1 e Tc = 305,4 K. 
Calcular as constantes de van der Waals do gás e estimar o raio das moléculas. 
 
29) Apresente a dedução detalhada (e a interpretação passo à passo) do modo como van der Waals 
resolveu o problema de generalização da sua equação de estado paramétrica. Pesquise e discuta 
sobre o campo de aplicação do modelo de van der waals generalizado. 
 
30) O que é o princípio dos estados correspondentes? Explique. 
 
31) Apresente um gráfico qualitativo de Z (fator de compressibilidade) x pressão reduzida do 
sistema e explique-o. 
 
32) Apresente a dedução da equação de estado dos gases perfeitos segundo a Teoria Cinética dos 
Gases. Que conclusões importantes o desenvolvimento desta equação de estado por esse 
caminho propiciou? Discuta. 
 
33) Apresente gráficos qualitativos de Z (fator de compressibilidade) em função da pressão e para 
diferentes gases e discuta-os com base nas interações intermoleculares que são dominantes em 
cada parte do gráfico. 
 
34) O que é a chamada Temperatura de Boyle? Qual a sua importância? Discuta. 
 
35) O que é a chamada equação de estado do virial? Apresente-a e discuta sobre sua generalidade de 
forma comparativa aos modelos de gás perfeito e modelo de gás de van der Waals.