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QUÍMICA GERAL
Escola de Engenharia Industrial Metalúrgica Universidade Federal Fluminense
Volta Redonda - RJ
Prof. Dr. Ednilsom Orestes 25/04/2016 – 06/08/2016 AULA 12
ACESSO À ENERGIA É CRUCIAL
PARA A HUMANIDADE
TERMODINÂMICA
ACESSO À ENERGIA É CRUCIAL
PARA A HUMANIDADE
TERMODINÂMICA
TRANSFERÊNCIA E CONVERSÃO DE ENERGIA
LEIS EMPÍRICAS (INDEPENDEM DE MODELOS)
Nicolas L. Sadi Carnot (1796-1832)
James Prescott Joule (1818-1889)
Conceitos fundamentais:
Trabalho & Calor
Trabalho resultava do
fluxo de calórico.
FORMAS DE ENERGIA!
©2010, 2008, 2005, 2002 by P. W. Atkins and L. L. Jones
Sistema: aberto, fechado ou isolado.
Sistema e vizinhança formam o universo.
CONCEITOS FUNDAMENTAIS
TRABALHO (𝒘)
©2010, 2008, 2005, 2002 by P. W. Atkins and L. L. Jones
Conceito fundamental da
termodinâmica.
Movimento contra força oposta.
Sistema modelo: Peso levantado
contra gravidade por expansão de um gás.
Trabalho = força x distância
1 𝐽 = 1 𝑘𝑔.𝑚2. 𝑠−2 1 𝑁 = 1 𝑘𝑔.𝑚. 𝑠−2
Energia: Capacidade de
executar trabalho.
©2010, 2008, 2005, 2002 by P. W. Atkins and L. L. Jones
Se possui muita energia, pode realizar
muito trabalho.
OBS: Cuidado com o sinal!
Executar trabalho nas vizinhanças
causa redução de energia.
Conteúdo total de energia é a energia
interna, 𝑈.
Não se pode medir o valor absoluto de
𝑈, apenas suas variações, Δ𝑈.
Executar trabalho sobre o sistema
aumenta sua energia interna.
Se nenhum outro tipo de trabalho é
realizado:
Δ𝑈 = 𝑤
TRABALHO (𝒘)
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Se, 𝑭 = 𝑷 × 𝑨
então,
𝑻𝒓𝒂𝒃𝒂𝒍𝒉𝒐 = 𝑷𝒆𝒙𝒕𝑨 × 𝒅. E como,
𝑨 × 𝒅 = 𝜟𝑽
tem-se:
𝒘 = −𝑷𝒆𝒙𝒕𝜟𝑽
Também se aplica à expansão de líquidos e
sólidos.
Só é aplicável quando a 𝑃𝑒𝑥𝑡 é constante
durante a expansão.
Sinal negativo: energia interna do sistema
diminui porque parte da energia é perdida
como trabalho.
Se expande no vácuo (𝑃𝑒𝑥𝑡 = 0): 𝑤 = 0.
TRABALHO (𝒘)
©2010, 2008, 2005, 2002 by P. W. Atkins and L. L. Jones
Suponha que um gás sofra uma
expansão de 500,0 𝑚𝐿 (0,500 𝐿) contra
uma pressão de 1,20 𝑎𝑡𝑚 e não houve
troca de calor com a vizinhança
durante a expansão. (a) Qual foi o
trabalho realizado na expansão? (b)
Qual foi a mudança de energia
interna do sistema?
𝑤 = −𝑃extΔ𝑉
𝑤 = −0,6 𝐿. 𝑎𝑡𝑚 ou perde (< 0) 60,8 𝐽
1 𝐿. 𝑎𝑡𝑚 = 101,325 𝐽
Como Δ𝑈 = 𝑤
Δ𝑈 = −60,8 𝐽 (diminuiu)
©2010, 2008, 2005, 2002 by P. W. Atkins and L. L. Jones
Água expande-se ao congelar. Quanto trabalho uma
amostra de 100,0 𝑔 de água realiza ao congelar em 0 ℃ e
estourar um cano de água que exerce a pressão oposta
de 1,070 𝑎𝑡𝑚? As densidades da água e do gelo, em 0 ℃,
são 1,00 e 0,92 𝑔. 𝑐𝑚−3 respectivamente.
[Resposta: −0,9 𝑘𝐽]
Os gases se expandem, nos quatro cilindros de um motor
de automóvel, de 0,22 𝐿 a 2,2 𝐿 durante um ciclo de
ignição. Imaginando que o virabrequim exerça uma força
constante equivalente à pressão de 9,60 𝑎𝑡𝑚 sobre os
gases, qual é o trabalho realizado pelo motor em um
ciclo?
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E SE PRESSÃO MUDA DURANTE A EXPANSÃO, COMO OBTER 𝒘?
Depende da relação entre P e V.
Trocar mudanças finitas ⟶ 𝚫𝑽,
por mudanças infinitesimais ⟶ 𝒅𝑽.
EXPANSÃO REVERSÍVEL. (Trabalho máximo!)
Se a expansão contra uma pressão
difere da pressão do sistema por um
valor finito (mensurável), trata-se de
um processo irreversível.
“Como se houvesse um monte de areia sobre o pistão e retirássemos grão por grão.”
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𝐝𝒘 = −𝑷𝐞𝐱𝐭𝐝𝑽 = −𝒏𝑹𝑻
𝑽𝐝𝑽
𝐝𝒘 = −𝒏𝑹𝑻 𝐝𝑽
𝑽
𝑽𝒇
𝑽𝒊
𝒘 =−−𝒏𝑹𝑻 𝐥𝐧𝑽𝒇
𝑽𝒊
“O conceito de reversibilidade surge da idealização de uma condição limite ( 𝑤𝑚𝑎𝑥 ). Todos os processos reais são irreversíveis, uns mais outros menos. A irreversibilidade está associada ao grau de mudanças sofrida pelo sistema.”
E SE PRESSÃO MUDA DURANTE A EXPANSÃO, COMO OBTER 𝒘?
©2010, 2008, 2005, 2002 by P. W. Atkins and L. L. Jones
Um pistão confina 0,100 𝑚𝑜𝑙 de 𝐴𝑟(𝑔) em um volume
de 1,0 𝐿 em 25 ℃. Dois experimentos são feitos. (a) O
gás expande-se até 2,0 𝐿 contra a pressão constante
de 1,00 𝑎𝑡𝑚 e (b) o gás expande-se reversível e
isotermicamente até o mesmo volume final. Que
processo executa mais trabalho?
[Resp.: Irreversível = −101 J e Reversível = −172 𝐽.]
Um cilindro de volume 2,0 𝐿 contém 0,100 𝑚𝑜𝑙 de 𝐻𝑒(𝑔) em 30 ℃ . Que
processo executa mais trabalho sobre o sistema, permitir que o gás se
comprima isotermicamente até 1,0 𝐿 com a pressão externa constante de
5,0 𝑎𝑡𝑚 ou permitir que o gás se comprima reversível e isotermicamente até o
mesmo volume final? [Resposta: Compressão reversível.]
Um cilindro de volume 2,0 𝐿 contém 1,00 𝑚𝑜𝑙 de 𝐻𝑒(𝑔) em 30 ℃. Que processo
executa mais trabalho sobre a vizinhança, permitir que o gás se expanda
isotermicamente até 4,0 𝐿 contra uma pressão externa constante de 1,00 𝑎𝑡𝑚
ou permitir que o gás se expanda reversível e isotermicamente até o mesmo
volume final?
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Calor x En. térmica
1 cal = 4,184 J
Solda de trilhos: Al + Fe2O3 NH4SCN + Ba(OH)2.8H2O
CALOR (𝒒)
Energia em movimento devido a
diferença de temperatura.
Altera energia interna, U.
Energia térmica: associada ao
movimento caótico.
𝚫𝑼 = 𝒒
Se 𝒒 < 𝟎, energia sai do sistema como
calor (EXOTÉRMICO).
Se 𝒒 > 𝟎 , energia entra no sistema
como calor (ENDOTÉRMICO).
Capacidade calorífica, C.
𝑪 =𝒒
𝚫𝑻
©2010, 2008, 2005, 2002 by P. W. Atkins and L. L. Jones
Capacidade calorífica molar, Cm.
𝑪𝒎 =𝑪
𝒏 𝐞 𝒒 = 𝑪𝜟𝑻 = 𝒏𝑪𝒎𝜟𝑻
MEDIDA DE CALOR Acompanhar a variação de energia interna.
Paredes Adiabáticas: 𝚫𝑼 = 𝒘.
Paredes Diatérmicas: fluxo de energia altera a temperatura.
Propriedade extensiva.
Capacidade calorífica específica (calor específico), CS.
𝑪𝑺 =𝑪
𝒎 𝐞 𝒒 = 𝑪𝜟𝑻 = 𝒎𝑪𝑺𝜟𝑻
©2010, 2008, 2005, 2002 by P. W. Atkins and L. L. Jones
©2010, 2008, 2005, 2002 by P. W. Atkins and L. L. Jones
Calcule o calor necessário para aumentar a
temperatura de (a) 100,0 𝑔 de água, (b) 2,00 𝑚𝑜𝑙
de 𝐻2𝑂(𝑙), em 20 ℃.
a) 𝑞 = +8,4 𝑘𝐽
b) 𝑞 = +3,0 𝑘𝐽
O perclorato de potássio, 𝐾𝐶𝑙𝑂4, é usado como
oxidante em fogos de artifício. Calcule o calor
necessário para aumentar a temperatura de
10,0 𝑔 de 𝐾𝐶𝑙𝑂4 de 25,0 ℃ até a temperatura de
ignição (900,0 ℃). A capacidade calorífica do
𝐾𝐶𝑙𝑂4 é 0,8111 𝐽. 𝐾−1. 𝑔−1.
[Resposta: 7,10 𝑘𝐽]
Calcule o calor necessário para aumentar a
temperatura de 3,00 𝑚𝑜𝑙𝑠 de 𝐶𝐻3𝐶𝐻2𝑂𝐻(𝑙) ,
etanol, em 15,0 ℃.
PRIMEIRA LEI
DA
TERMODINÂMICA
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𝜟𝑼 = 𝒒 +𝒘
A única forma de mudar a energia interna de um sistema fechado é
transferir energia dele ou para ele na forma de calor ou trabalho.
ENERGIA INTERNA MUDA
EM CONSEQUÊNCIA DO
TRABALHO E DO CALOR
Ex.: motor a combustão.
Trabalho – movimento direcionado.
Calor – movimento caótico.
1ª. LEI DA TERMODINÂMICA:
A ENERGIA INTERNA DE UM SISTEMA
ISOLADO É CONSTANTE.
©2010, 2008, 2005, 2002 by P. W. Atkins and L. L. Jones
Um motor de automóvel realiza 520,0 𝑘𝐽 de trabalho e perde
220,0 𝑘𝐽 de energia sob a forma de calor. Qual a variação de energia interna do motor? Trate o motor, o combustível e os
gases do escapamento como um sistema fechado.
[Resposta: −𝟕𝟒𝟎 𝒌𝑱]
Um sistema foi aquecido usando-se 300,0 𝐽 de calor, mas sua
energia interna caiu 150,0 𝐽 (logo, Δ𝑈 = −150,0 𝐽). Calcule 𝑤 e
diga se o sistema realizou trabalho ou o contrário.
©2010, 2008, 2005, 2002 by P. W. Atkins and L. L. Jones Ex.: Estados inicial e final idênticos, mas o trabalho
realizado é diferente! (idem para calor).
Energia interna é função de estado (depende somente estados inicial e final e
independe do “caminho”).
Trabalho e calor não são funções de estado.
Se 𝑻𝒊 = 𝑻𝒇 → 𝚫𝑼 = 𝟎 e 𝒘 = −𝒒 (ou 𝒒 = −𝒘)
Se 𝚫𝑼 independe do “caminho”, posso escolher o mais conveniente.
Ex.: Na expansão isotérmica do gás ideal, moléculas sem interação
(𝑬𝑷 = 𝒄𝒕𝒆) movem-se com mesma velocidade (𝚫𝑬𝑪 = 𝒄𝒕𝒆), portanto, 𝚫𝑼 = 𝟎.
Suponha que 1,00 𝑚𝑜𝑙 de moléculas de um gás
ideal, em 292,0 𝐾 e 3,00 𝑎𝑡𝑚, se expanda de 8,00 𝐿
a 20,00 𝐿 e atinja a pressão final de 1,20 𝑎𝑡𝑚 por
dois caminhos diferentes. (a) O caminho A é uma
expansão isotérmica reversível. (b) O caminho B
tem duas partes. Na etapa 1, o gás esfria em
volume constante até que a pressão atinja
1,20 𝑎𝑡𝑚 . Na etapa 2, ele é aquecido e se
expande contra uma pressão constante igual a
1,20 𝑎𝑡𝑚 até que o volume atinja 20,00 𝐿 e
𝑇 = 292,0 𝐾 . Determine o trabalho realizado, o
calor transferido e a troca de energia interna (𝑤, 𝑞
e Δ𝑈) para os dois caminhos.
a) 𝑤 = −2,22 𝑘𝐽 , 𝑞 = +2,22 𝑘𝐽 e Δ𝑈 = 0
b) 1) 𝑤 = 0 e
2) 𝑤 = −14,4 𝐿. 𝑎𝑡𝑚 = −1,46 𝑘𝐽
𝑞 = +1,46 𝑘𝐽 e Δ𝑈 = 0. ©2010, 2008, 2005, 2002 by P. W. Atkins and L. L. Jones
Suponha que 2,00 𝑚𝑜𝑙𝑠 de 𝐶𝑂2, tratado como um gás ideal, em
2,00 𝑎𝑡𝑚 e 300 𝐾, são comprimidos isotérmica e reversivelmente até a
metade do volume original, antes de serem usados para carbonatar
a água. Calcule 𝑤, 𝑞 e Δ𝑈.
[Resposta: 𝑤 = +3,46 𝑘𝐽; 𝑞 = −3,46 𝑘𝐽; Δ𝑈 = 0]
Suponha que 1,00 𝑘𝐽 de energia é transferida na forma de calor a
oxigênio em um cilindro dotado de um pistão. A pressão externa é
2,00 𝑎𝑡𝑚. O oxigênio expande de 1,00 𝐿 a 3,00 𝐿 contra essa pressão
constante. Calcule 𝑤 e Δ𝑈 do processo completo. Trate 𝑂2 como um
gás ideal.
