aula_15_-_Termodinâmica_Primeira_Lei

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Disciplina de Química Geral
Aula 15:
Termodinâmica
Primeira Lei
Profa. Roberta L. Ziolli
TERMODINÂMICA
Termodinâmica é a ciência que estuda as transformações de 
energia nas quais as variações de temperatura são importante. 
A maioria das transformações químicas resulta em alterações 
nas temperaturas e, portanto, à Química sempre sempre esteve 
envolvida na Termodinâmica como ciência.
Interesse central da Química:
“o controle e a compreensão das transformações químicas”
Algumas questões fundamentais para essa compreensão:
1. Quando duas substâncias são misturadas, haverá reação?
2. Havendo reação, ela será acompanhada por liberação de 
energia?
3. Iniciada a reação, qual a composição dos reagentes e produtos 
correspondentes ao término da reação e ao estabelecimento do 
equilíbrio?
A Termodinâmica está aí - em nosso dia-a-dia
Pense nos diversos dispositivos que convertem a 
energia contida nos combustíveis em energia 
mecânica, utilizada para movimentos, realização de 
trabalho e até na refrigeração. Os motores de 
veículos, da motocicleta ao avião; a geladeira que 
trabalha para inverter o sentido natural da troca de 
calor; as usinas termelétricas que consomem 
combustível para gerar eletricidade.
Pense em outros exemplos!
Veja a tabela abaixo com alguns exemplos de conversão de energia:
Energia Energia Dispositivo ou fenômeno
Térmica Mecânica Motor a explosão
Luminosa Elétrica Célula fotovoltaica
Química Térmica Combustão
Química Elétrica Pilhas
Elétrica Química Eletrólise
Os exemplos acima mostram que as formas de energia podem ser convertidas umas 
nas outras mediante o uso do equipamento ou processo adequado [1]. Podemos, por 
exemplo, converter energia potencial da água caindo em uma cachoeira em energia 
cinética de uma roda d’água, desta em energia elétrica conectando a roda d’água a 
um gerador de energia elétrica, como nas centrais hidrelétricas. Diversos cientistas, 
ao longo dos séculos, observaram essas transformações e efetuam medições das 
quantidades de energia envolvidas nelas. Até hoje, em todos os experimentos 
realizados, sempre, a energia se conservou. O princípio da conservação da energia é
um dos mais sólidos da ciência e é apresentado na Termodinâmica através da 
Primeira Lei da Termodinâmica. 
[1] Devemos ter em mente que em muitos destes processos de transformação entre formas de energia há
perdas. Por ex, a energia cinética de um automóvel pode ser integralmente convertida em energia térmica nos 
freios. Mas, o automóvel não entrará em movimento se cedermos energia térmica aos freios. Precisamos de 
um motor para isto. Esta eficiência nas conversões é o assunto da 2ª. Lei da Termodinâmica.
A Primeira Lei da Termodinâmica diz que a energia é
conservada. A energia interna de um sistema isolado é
constante.
A Lei de conservação é uma descrição de como a natureza 
funciona, não uma explicação. Tem aceitação e utilidade, mas 
é um conceito abstrato
∆∆∆∆U = q + w
Onde: ∆∆∆∆U, é a variação da energia interna do sistema (∆E)
q, é o calor que um sistema recebe ou desprende
w, é o trabalho que o sistema realiza ou que é realizado sobre ele
Primeira Lei da Termodinâmica Primeira Lei da Termodinâmica: ∆∆∆∆U = q + w
q > 0, se o calor for absorvido pelo sistema
q < 0, se o calor for cedido pelo sistema
Convenção de sinal para q:
Considerações sobre q:
∆∆∆∆H = q, a pressão constante
Portanto, ∆∆∆∆U = ∆∆∆∆H + w , a pressão constante
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Em Química: w = -P∆∆∆∆V, trabalho de expansão
Como, PV = nRT ⇒ w = - ∆∆∆∆nRT
Unidade:
w = - P (atm) ∆∆∆∆V (L) = L atm ( 1 L atm = 101,325 J )
w = - ∆∆∆∆n (mol) R (8,314 J/Kmol) T (K) = J
w > 0, se trabalho é realizado sobre o sistema
w < 0, se trabalho é realizado pelo sistema
Convenção de sinal para w:
Considerações sobre w:
Primeira Lei da Termodinâmica: ∆∆∆∆U = q + w
∆∆∆∆U = ∆∆∆∆H - P∆∆∆∆V, a pressão constante
(Representação da Primeira Lei da Termodinâmica na sua forma de maior 
utilidade para o Químico).
A equação diz que a energia interna de um sistema altera-se por duas maneiras:
(i) se há entrada ou saída de energia do sistema na forma de calor (∆H );
(ii) se há aumento ou diminuição do volume a pressão constante (-P∆V).
∆∆∆∆U = q, a volume e pressão constantes
Primeira Lei da Termodinâmica: ∆∆∆∆U = q + w
Aplicação da convenção de sinal de q e w:
O motor de um automóvel realiza 520 kJ de trabalho e perde 220 kJ 
de energia como calor. Qual é a variação de energia interna do motor. 
(Considerar motor, combustível e gases do escapamento como im
sistema fechado).
Atividade: aproveite para buscar as definições de sistema aberto; 
sistema fechado; sistema isolado.
Resolução:
∆∆∆∆U = q + w
∆∆∆∆U = -220 kJ – 520 kJ = -740 kJ
Aplicação da convenção de sinal de q e w: 
Um sistema foi aquecido usando 300 J de calor, enquanto sua 
energia interna diminuiu 150 J. Calcular o trabalho. Foi realizado 
trabalho sobre o sistema ou o sistema realizou trabalho?
Resolução:
∆∆∆∆U = q + w
-150 J = + 300 J + w
w = - 450 J, o sistema realizou trabalho
Tentando compreender energia interna, ∆∆∆∆U, em Química:
Algumas definições encontradas:
∆∆∆∆U, é a energia total de um sistema. A soma das energias cinética 
e potencial das moléculas que compõem o sistema;
∆∆∆∆U, é a capacidade total de um sistema realizar trabalho.
Considerações sobre ∆∆∆∆U:
Primeira Lei da Termodinâmica: ∆∆∆∆U = q + w Em escala molecular:
Etotal da molécula = Ecinética total + Epotencial total
Ecinética molecular total = Ecin. translação + Ecin. elétrons + Ecin. vibração + Ecin. rotação
Epotencial molecular total = Epot. núcleo-núcleo + Epot. núcleo-elétron + Epot. elétron-elétron
Movimentos do XeF2 (g)
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(Questão Prova 2003.2)
No seu ponto de ebulição (100 oC a 1,00 atm), a água líquida tem uma 
densidade de 0,958 g mL-1. Sendo a entalpia de vaporização, ∆Hvap, 
da água de 40,66 kJ mol-1, responda as questões abaixo:
a) Calcule a quantidade de calor envolvida no processo de vaporização 
de um mol de água, a pressão constante.
b) Calcule o trabalho envolvido no processo para um mol de água 
(admita que o vapor d`água comporta-se idealmente) e mostre, 
através de cálculos, utilizando os dados no enunciado do problema, 
que o trabalho de expansão de um gás com comportamento ideal 
pode ser descrito aproximadamente com a variação de volume 
sendo igual ao volume do gás.
c) Calcule a variação de energia interna, ∆U (em kJ), para o processo.
d) Explique o significado dos resultados obtidos para ∆U, ∆Hvap e w.
Dado: 1 atm L = 101,325 J
(Questão Prova 2001.1)
Considere a reação de combustão completa de 0,2 mols de 
C3H8(g) com um mol de O2(g) processando a 300 °C a pressão 
constante em um cilindro termicamente isolado munido com 
êmbolo móvel.
C3H8(g) + 5O2(g) ⇒ 3CO2(g) + 4H2O(g)
a) Calcule o calor envolvido na reação.
b) Calcule o trabalho envolvido.
c) Calcule a variação de energia interna (∆U ou ∆E) do sistema.
Dados:
∆H°f (C3H8(g)) = -104 kJ/ mol
∆H°f (CO2(g)) = -393 kJ/ mol
∆H°f (H2O(g)) = -241 kJ/ mol
∆H°f (O2(g)) = 0 kJ/ mol