QuimFisicaTCap1 (Noções de Gases e Termodinâmica Química)[Aula]

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Físico-Química (para Tecnólogos)

Físico-Química (para Tecnólogos)

Noções de Gases e Termodinâmica Química

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Otávio Santana Otávio Santana

Noções de Gases e Termodinâmica Química

Noções de Gases e Termodinâmica Química

• CONTEÚDO

– Noções de Gases e Termodinâmica Química:

• Gases Ideais e Reais; Primeira Lei da Termodinâmica;

Segunda Lei da Termodinâmica.

– Noções de Termodinâmica de Líquidos e Soluções. – Noções de Equilíbrio Químico e Eletroquímica. – Noções de Cinética Química.

Programa da Disciplina: Conteúdo

Cont. Parte 1 Parte 2 Parte 3 Parte 4 Parte 5 Parte 6

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Otávio Santana Otávio Santana

Noções de Gases e Termodinâmica Química

Noções de Gases e Termodinâmica Química

• Escopo dos Ramos da Química

QuímicaQuímica: Estuda a matéria e suas transformações.

• Estuda a estrutura, a composição, as propriedades e as transformações dos materiais.

• Estuda os átomos e suas interações, especialmente na forma como os átomos formam ligações entre si.

• É considerada uma ciência central, pois possibilita a conexão entre a física e as demais ciências naturais, como geologia e biologia.

Físico-QuímicaFísico-Química: Princípios físicos para da Química.

• Visa explicar as propriedades da matéria a partir de conceitos como partículas (átomos, prótons, elétrons, …) e energia. • Fornece a base para todos os demais ramos da Química.

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• Conceitos Fundamentais

Estado da MatériaEstado da Matéria:(*)Gases:Gases

– Altamente compressíveis e assumem forma e volume do recipiente;

Moléculas muito separadas, interagindo fracamente.

Líquidos:Líquidos

– Pouco compressíveis e assumem forma, mas não volume;

➔ Moléculas muito próximas, mas sem impossibilitar a mobilidade.

Sólidos:Sólidos

– Quase incompressíveis e possuem forma e volume definidos;

➔ Moléculas muito próximas, unidas e quase sem mobilidade.

Conceitos Fundamentais [0.1]

(*) O termo “fase” é mais específico que “estado”, pois é possível mais de uma forma sólida. (*) O hélio é a única substância conhecida que possui duas fases líquidas.

(*) A expressão “fase gasosa”, no entanto, é sinônimo de “estado gasoso”.

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Noções de Gases e Termodinâmica Química

Noções de Gases e Termodinâmica Química

• Conceitos Fundamentais

Estado da MatériaEstado da Matéria:

O que é um Modelo?O que é um Modelo?

➔Descrição simplificada idealizada de um sistema que possui grande

complexidade, mas que reproduz em essência o comportamento do sistema complexo que é o alvo de estudo.

➔Consiste na representação abstrata (conceitual ou gráfica) de

sistemas com o propósito de analisar fenômenos e possibilitar previsões, a partir de um tratamento matemático.

➔A elaboração de modelos é parte essencial de qualquer atividade

científica!

Conceitos Fundamentais [0.1]

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Noções de Gases e Termodinâmica Química

Noções de Gases e Termodinâmica Química

• Conceitos Fundamentais

Estado da MatériaEstado da Matéria: Modelos Conceitos Fundamentais [0.1]

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• Conceitos Fundamentais

Estado Físico (ou apenas “Estado”)Estado Físico (ou apenas “Estado”):

• Refere-se a uma condição específica de uma amostra de matéria.

➔É definido a partir da forma física (gás, líquido ou sólido), volume

(V), pressão (p), temperatura (T) e quantidade química (n).

Ex. 1: 1,0 mol de argônio gasoso, em um recipiente de 1,0 L, sob

1,0 atm e a 25 °C está em um estado físico particular.

Ex. 2: 1,0 mol de argônio gasoso, em um recipiente de 1,5 L, sob

2,0 atm e a 35 °C está em um outro estado físico.

Nota: Duas amostras distintas estarão no mesmo estado físico

somente se estiverem na mesma forma física e possuírem igual massa, volume, pressão e temperatura.

Conceitos Fundamentais [0.2]

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Noções de Gases e Termodinâmica Química

Noções de Gases e Termodinâmica Química

• Conceitos Fundamentais

Volume (Volume (VV)):

• Pode ser medida com diferentes instrumentos...

Conceitos Fundamentais [0.2]

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Noções de Gases e Termodinâmica Química

Noções de Gases e Termodinâmica Química

• Conceitos Fundamentais

Volume (Volume (VV)):

• Pode ser medida com diferentes instrumentos...

➔As unidades de volume são dadas por

(unidades de comprimento)3.

➔A unidade SI de volume é o 1 m3.

Normalmente usamos 1 mL = 1 cm3.

➔Outras unidades de volume:

1 L = 1 dm3 = 1000 cm3 = 1000 mL.

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Otávio Santana Otávio Santana

• Conceitos Fundamentais

Pressão (Pressão (pp)):

• Pressão é a força atuando em um objeto por unidade de área.

➔A força sobre uma coluna de

ar de 1 m2 é de ~105 N.

➔A pressão de uma coluna de ar

de 1 m2 é de ~100 kPa (1 atm). ➔SI: 1 N = 1 kg m /s2. 1 Pa = 1 N/m2. Conceitos Fundamentais [0.3] p = F A 11 Otávio Santana Otávio Santana

Noções de Gases e Termodinâmica Química

Noções de Gases e Termodinâmica Química Conceitos Fundamentais [0.3]

• Ex.#1: Conversão de unidades.

– Um cientista investiga o efeito da pressão atmosférica na taxa de crescimento de um vegetal e mediu a pressão de 1,115 bar. Qual o valor dessa pressão em atmosferas?

Dado: 1 atm = 1,013 bar.

– A pressão no olho de um furacão foi registrada como sendo 723 torr. Qual o valor dessa pressão em quilopascais? Dado: 1 torr = 133,32 Pa.

Resp.: 96,4 kPa. p = 1,115 bar ×

(

1 atm 1,013 bar

)

=1,100 atm 12 Otávio Santana Otávio Santana

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• Conceitos Fundamentais

Pressão (Pressão (pp)):

• Pode ser medida com um “barômetro”:

➔A pressão atmosférica padrão é

a pressão necessária para suportar 760 mm de Hg em uma coluna. ➔Unidades: 1 atm = 760 mmHg = 760 torr = 101,325 kPa. Conceitos Fundamentais [0.3] p = F A =ρg h

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Otávio Santana Otávio Santana

Conceitos Fundamentais [0.3]

• Ex.#2: Relação Pressão x Altura.

– Determine a pressão (em pascal) na base de uma coluna de mercúrio de altura igual a 760 mm.

Dado: ρHg = 13,6 g/cm3, g = 9,81 m/s2.

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• Conceitos Fundamentais

Pressão (Pressão (pp)):

• Pode ser medida com um “manômetro”:

➔Um manômetro consiste de um

bulbo de gás preso a um tubo em forma de U contendo Hg: Se Pgás > Patm: Pgás = Patm + Ph. Se Pgás < Patm: Pgás + Ph = Patm. Conceitos Fundamentais [0.3] p = F A =ρg h

p h 16 Otávio Santana Otávio Santana

Noções de Gases e Termodinâmica Química

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• Conceitos Fundamentais

Pressão (Pressão (pp)): Conceitos Fundamentais [0.3]

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Conceitos Fundamentais [0.3]

• Ex.#3: Determinação da pressão.

– Um manômetro de lado aberto contendo mercúrio é conectado a um recipiente de gás. Qual é a pressão do gás no recipiente (em torr) quando o mercúrio no braço ligado ao gás está 13,6 cm mais alto que no lado aberto para a atmosfera, sabendo que a pressão atmosférica é de 1,05 atm.

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• Conceitos Fundamentais

Temperatura (Temperatura (TT)):

• Pode ser medida com “termômetros”:

Conceitos Fundamentais [0.4]

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• Conceitos Fundamentais

Temperatura (Temperatura (TT)):

• Pode ser medida com “termômetros”.

Escala Celsius: Temperatura (θ) expressa em graus Celsius ( °C).Escala Kelvin: Temperatura (T) expressa em Kelvin (K). ➔As escalas Kelvin e Celsius estão relacionadas pela equação:

Nota: todas as equações termodinâmicas fazem uso de

temperaturas na escala Kelvin, e, por isso, representada por T.

Conceitos Fundamentais [0.4]

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Conceitos Fundamentais [0.4]

• Ex.#4: Conversão de Unidades.

– Expresse a temperatura do corpo humano, 37 °C, em kelvins. T /K = θ/°C + 273,15 =37 °C/°C + 273,15 =37 + 273,15 =310,15 T = 310,15 K 22 Otávio Santana Otávio Santana

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• Conceitos Fundamentais

Quantidade de Química (Quantidade de Química (nn)):

• É útil expressar a quantidade de átomos, independente da substância, a partir da quantidade química n.

➔A quantidade química é expressa em “mol” (quantidade de átomos

de carbono-12 em uma amostra de 12 g).

➔Relações úteis: Conceitos Fundamentais [0.5] NA=6,022 x 1023mol−1 N = n x NA m = n x M 23 Otávio Santana Otávio Santana

Noções de Gases e Termodinâmica Química

Noções de Gases e Termodinâmica Química Conceitos Fundamentais [0.5]

• Ex.#5: Conversão de Unidades.

– Calcule a quantidade química correspondente a 8,8x1022 átomos de carbono.

Dado: NA = 6,022x1023 mol-1.

– Calcule a quantidade química correspondente a 21,5 g de carbono. Dado: MC = 12,01 gmol-1. nC= N NA =8,8×1022 átmos C 6,022×1023mol−1 =0,15 mol C nC= m M = 21,5 g 12,01 gmol−1=1,79 mol C

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24 Otávio Santana Otávio Santana Conceitos Fundamentais

Fim da Parte 1

Fim da Parte 1

Conceitos Fundamentais 25 Otávio Santana Otávio Santana

Noções de Gases e Termodinâmica Química

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• Gás Ideal: Observações Experimentais

Lei de BoyleLei de Boyle: Relação Pressão-Volume.

• “O volume de uma quantidade fixa de gás à temperatura constante

diminuiu com a elevação da pressão. ”

Existe uma outra versão da lei de Boyle que afirma:

• “A pressão de uma quantidade fixa de gás à temperatura

constante diminui com a elevação do volume. ”

O ponto importante é que esta lei afirma que pressão e volume são quantidades inversamente proporcionais!

Propriedades dos Gases [1.1]

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Noções de Gases e Termodinâmica Química

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• Gás Ideal: Observações Experimentais

Lei de BoyleLei de Boyle: Relação Pressão-Volume. Propriedades dos Gases [1.1]

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• Gás Ideal: Observações Experimentais

Lei de BoyleLei de Boyle: Relação Pressão-Volume.

• Matematicamente:

• Graficamente:

Propriedades dos Gases [1.1]

V ∝ 1

pV = const x 1p ou pV = const

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• Gás Ideal: Observações Experimentais

Lei de Charles e Gay-LussacLei de Charles e Gay-Lussac: Relação Volume-Temperatura.

• “O volume de uma quantidade fixa de gás à pressão constante

aumenta com a elevação da temperatura. ”

Existe uma outra versão da lei de Charles que afirma:

• “A pressão de uma quantidade fixa de gás à volume constante

aumenta com a elevação da temperatura. ”

O ponto importante é que esta lei pode ser usada para estabelecer escalas de temperaturas!

Propriedades dos Gases [1.1]

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Noções de Gases e Termodinâmica Química

Noções de Gases e Termodinâmica Química

• Gás Ideal: Observações Experimentais

Lei de Charles e Gay-LussacLei de Charles e Gay-Lussac: Relação Volume-Temperatura. Propriedades dos Gases [1.1]

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• Gás Ideal: Observações Experimentais

Lei de Charles e Gay-LussacLei de Charles e Gay-Lussac: Relação Volume-Temperatura. Propriedades dos Gases [1.1]

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Noções de Gases e Termodinâmica Química

Noções de Gases e Termodinâmica Química

• Gás Ideal: Observações Experimentais

Lei de Charles e Gay-LussacLei de Charles e Gay-Lussac: Relação Volume-Temperatura.

• Matematicamente:

• Graficamente:

Propriedades dos Gases [1.1]

V ∝ T ⇒ V = const x T ou V T =const 0 K = −273,15 °C T /K = θ/°C + 273,15 32 Otávio Santana Otávio Santana

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• Gás Ideal: Observações Experimentais

Lei de AvogadroLei de Avogadro: Relação Volume-Quantidade Química.

• “O volume de um gás a uma dada temperatura e pressão é

diretamente proporcional à quantidade de matéria do gás. ”

• Matematicamente:

➔Experimentalmente: 1 mol (6,02x1023 moléculas) de um gás ideal ocupa 22,4 L.

➔Consequência: Pode-se determinar a estequiometria da reação

envolvendo gases estudando as mudanças de volumes.

Propriedades dos Gases [1.1]

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• Gás Ideal: Observações Experimentais

Lei de AvogadroLei de Avogadro: Relação Volume-Quantidade Química. Propriedades dos Gases [1.1]

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• Gás Ideal: Observações Experimentais

Lei de AvogadroLei de Avogadro: Relação Volume-Quantidade Química. Propriedades dos Gases [1.1]

CNTP

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• Gás Ideal: Equação de Estado

Lei Empíricas CombinadasLei Empíricas Combinadas: Lei dos Gases Ideais.

• Lei de Boyle:

• Lei de Charles:

• Lei de Avogadro:

Lei dos Gases:

Propriedades dos Gases [1.1]

V = const1×1p V = const2×T V = const3×n

V = const4×nT

ppV = nRT R  Constante (Universal) dos Gases Ideais

Equação de Estado dos Gases Ideais

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Otávio Santana Otávio Santana

• Gás Ideal: Equação de Estado Propriedades dos Gases [1.1]

Valores numéricos das constantes dos gases

Pa m3 K-1 mol-1 8,314 J K-1 mol-1 8,314 atm L K-1 mol-1 0,082 torr L K-1 mol-1 62,36 cal K-1 mol-1 1,987 37 Otávio Santana Otávio Santana

Noções de Gases e Termodinâmica Química

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• Gás Ideal: Equação de Estado

– Utilização da Lei dos Gases Ideais:

• Para um gás sob dois conjuntos de condições:

• Densidades e Massas Molares de Gases:

Propriedades dos Gases [1.2]

ρ =m V, m = nM , V = nRTp ⇒ ρ = pM RTM = ρ RTp pV = nRT ⇒ R = pV nTp1V1 n1T1 = p2V2 n2T2 38 Otávio Santana Otávio Santana

Noções de Gases e Termodinâmica Química

Noções de Gases e Termodinâmica Química Propriedades dos Gases [1.2]

• Ex.#1: Determinação da pressão de uma amostra.

– Um químico investiga a conversão do nitrogênio atmosférico em uma forma que possa ser utilizada pelas bactérias que se localizam nas raízes de certos legumes e, para isso, precisa saber a pressão (em kPa) exercida por 1,25 g de nitrogênio gasoso em um frasco de volume igual a 250 mL, a 20 °C. Calcule a pressão do gás.

Dado: MN2 = 28,02 g mol-1, R = 8,314 Pa m3 K-1 mol-1.

Resp.: 435 kPa. p = nRT V =

(

1,25 g 28,02 g mol−1

)

(8,314Pa m3K−1mol−1)(20+273,15)K (250 mL)

(

1mL 10 ⁻⁶m ³

)

=4,35 ×10⁵Pa = 435kPa

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Propriedades dos Gases [1.2]

• Ex.#2: Determinação da pressão de uma amostra.

– Calcule a pressão exercida por 1,22 g de dióxido de carbono (CO2) contido em um frasco de 500 mL, a 37 °C.

Dado: MCO2 = 44,01 g mol-1, R = 8,314 Pa m3 K-1 mol-1.

Resp.: 143 kPa.

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Noções de Gases e Termodinâmica Química Propriedades dos Gases [1.2]

• Ex.#3: Determinação do volume de uma amostra.

– Qual o volume final atingido por uma amostra de gás que foi aquecida de 25 °C até 1000 °C e cuja pressão aumentou de 10,0 kPa até 150,0 kPa? Admita que o volume inicial da amostra era de 15 mL.

Resp.: 4,3 mL.

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Noções de Gases e Termodinâmica Química Propriedades dos Gases [1.2]

• Ex.#4: Determinação da densidade de uma amostra.

– Qual a densidade do vapor de tetracloro metano (CCl4) a 714 torr e 125 °C (398 K)?

Dados: MCCl4 = 154,0 g/mol, R = 62,36 torrL/Kmol.

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• Misturas de Gases: Pressões Parciais

– Como as moléculas do gás estão muito separadas, pode-se supor que elas se comportam de forma independente.

Lei de DaltonLei de Dalton: em uma mistura gasosa, a pressão total é

dada pela soma das pressões parciais de cada componente:

cada componente obedecendo a lei dos gases ideais: Propriedades dos Gases [1.3]

ptotal =p1+ p2+ p3+ ... pi=ni

(

RT V

)

ptotal= (n1+ n2+ n3)

(

RT V

)

45 Otávio Santana Otávio Santana

Noções de Gases e Termodinâmica Química

Noções de Gases e Termodinâmica Química

• Misturas de Gases: Pressões Parciais

– Como as moléculas do gás estão muito separadas, pode-se supor que elas se comportam de forma independente.

Lei de DaltonLei de Dalton:

Propriedades dos Gases [1.3]

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Noções de Gases e Termodinâmica Química

Noções de Gases e Termodinâmica Química

• Misturas de Gases: Pressões Parciais

– Como as moléculas do gás estão muito separadas, pode-se supor que elas se comportam de forma independente.

Lei de DaltonLei de Dalton:

Propriedades dos Gases [1.3]

pi ptotal = ni(RT /V ) ntotal(RT /V ) = ni ntotal = xi ≡Fração Molar ∴ pi= xiptotal

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Propriedades dos Gases [1.3]

• Ex.#5: Determinação de frações molares.

– Calcule as frações molares do N2, do O2 e do Ar no ar seco ao nível do mar, sabendo que 100,0 g de ar consiste em 75,5 g de N2, 23,2 g de O2 e 1,30 g de Ar.

Dados: MN2 ≈ 28,0gmol-1, MO2 ≈ 32,0gmol-1, MAr ≈ 39,9gmol-1.

Resp.: xN2 ≈ 0,780, xO2 ≈ 0,210, xAr ≈ 0,009.

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Noções de Gases e Termodinâmica Química

Noções de Gases e Termodinâmica Química Propriedades dos Gases [1.3]

• Ex.#6: Determinação da pressão parcial.

– A pressão parcial do oxigênio no ar exerce um importante papel na aeração da água, permitindo o desenvolvimento da vida aquática, e na absorção do oxigênio pelo sangue nos nossos pulmões. Calcule as pressões parciais de uma amostra de gás consistindo de 2,50 g de oxigênio e 6,43 g de dióxido de carbono, e tendo uma pressão total de 88 kPa. Dados: MO2 ≈ 32,0 gmol-1, MCO2 ≈ 44,0 gmol-1.

Resp.: pO2 ≈ 31 kPa, pCO2 ≈ 57 kPa.

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Noções de Gases e Termodinâmica Química

Noções de Gases e Termodinâmica Química Propriedades dos Gases [1.3]

• Ex.#7: Determinação da pressão parcial.

– A partir dos dados da Voyager 1 os cientistas têm estimado a composição da atmosfera de Titã, a maior lua de Saturno. A pressão total na superfície é de 1.220 torr. A atmosfera é constituída de 82% de N2, 12% de Ar e 6% de CH4 (em quantidades molares). Calcule as pressões parciais destes gases na atmosfera de Titã.

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Gases Ideais e Gases Reais

Fim da Parte 2

Fim da Parte 2

Noções de Gases 60 Otávio Santana Otávio Santana

Noções de Gases e Termodinâmica Química

Noções de Gases e Termodinâmica Química

• Termodinâmica: Introdução

– Relaciona as propriedades macroscópicas de um sistema com seu comportamento nos processos físicos e químicos.

Propriedades macroscópicasPropriedades macroscópicas: definem o estado de um

sistema (ex.: pressão, volume e temperatura).

Propriedades microscópicasPropriedades microscópicas: a Termodinâmica não faz

suposições sobre a estrutura molecular da matéria.

➔ A termodinâmica está relacionada com as seguintes questões:

• Uma determinada transformação (química ou física) pode ocorrer? [Resposta: Primeira Lei]

• Em caso afirmativo, qual o sentido espontâneo? [Resposta: Segunda Lei]

Termodinâmica: Primeira Lei [2.1]

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Noções de Gases e Termodinâmica Química

Noções de Gases e Termodinâmica Química

• Sistema & Vizinhanças

– É importante definir claramente as fronteiras que delimitam o sistema sob investigação.

SistemaSistema: parte do Universo que é objeto de estudo e é

separada da vizinhança mediante fronteiras (reais ou fictícias).

VizinhançaVizinhança: parte externa ao sistema onde são realizadas as

observações e medidas. Termodinâmica: Primeira Lei [2.1]

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• Sistema & Vizinhanças

– As fronteiras que delimitam o sistema podem ser classificadas quanto à possibilidade de passagem de calor.

DiatérmicaDiatérmica: permitem a troca de calor com as vizinhanças.

AdiabáticaAdiabática: não permitem a troca de calor.

Termodinâmica: Primeira Lei [2.1]

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Noções de Gases e Termodinâmica Química

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• Sistema & Vizinhanças

– De acordo com as fronteiras os sistemas são classificados quanto à troca de energia e matéria com as vizinhanças.

AbertoAberto: troca de energia e matéria com as vizinhanças.

FechadoFechado: apenas troca de energia (calor) com as vizinhanças.

IsoladoIsolado: não possibilita a troca de energia nem de matéria.

Termodinâmica: Primeira Lei [2.1]

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Noções de Gases e Termodinâmica Química

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• Sistema & Vizinhanças

– A caracterização de sistemas termodinâmicos é feita mediante a investigação de suas propriedades.

Propriedades IntensivasPropriedades Intensivas: não dependem da extensão do

sistema. Exs.: pressão, temperatura e densidade.

Propriedades ExtensivasPropriedades Extensivas: dependem da extensão do

sistema. Exs.: massa, volume e quantidade química. Termodinâmica: Primeira Lei [2.1]

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Otávio Santana Otávio Santana

• Sistema & Vizinhanças

– A caracterização de sistemas termodinâmicos é feita mediante a investigação de suas propriedades.

Função de Estado TermodinâmicoFunção de Estado Termodinâmico: propriedade do sistema

caracterizado por um valor numérico bem definido para cada estado e independente da maneira como este foi obtido. Exs.: pressão, volume e temperatura.

➔ As funções de estado, que caracterizam o estado do sistema,

não são independentes entre si. Ex.: pV = nRT.

➔ Quando o sistema é modificado as variações nas funções de

estado dependem apenas dos estados inicial e final. Termodinâmica: Primeira Lei [2.1]

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• Sistema & Vizinhanças

– A caracterização de sistemas termodinâmicos é feita mediante a investigação de suas propriedades.

Função de Estado TermodinâmicoFunção de Estado Termodinâmico: propriedade do sistema

caracterizado por um valor numérico bem definido para cada estado e independente da maneira como este foi obtido. Exs.: pressão, volume e temperatura.

Termodinâmica: Primeira Lei [2.1]

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• Processos Físicos & Químicos

– A caracterização de processos (ou transformações) é feita de acordo com a troca de calor entre sistema e vizinhanças.

Processo EndotérmicoProcesso Endotérmico: o sistema absorve calor das

vizinhanças. Ex.: fusão do gelo.

Processo ExotérmicoProcesso Exotérmico: o sistema libera calor para as

vizinhanças. Ex.: reação de combustão. “Endo”  Para dentro.

“Exo”  Para fora. Termodinâmica: Primeira Lei [2.1]

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• Calor & Trabalho

Calor (Calor (qq)): Energia transferida de um sistema a outro devido a uma diferença de temperatura.

➔ Faz uso do movimento caótico dos átomos

nas vizinhanças (movimento térmico).

➔ Caloria (cal): quantidade de calor

necessária para elevar a temperatura de 1g de água de 14,5 °C para 15,5 °C. 1 cal = 4,184 J (exato)

1 kcal = 1 Cal (alimentar) Termodinâmica: Primeira Lei [2.2]

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Noções de Gases e Termodinâmica Química

Noções de Gases e Termodinâmica Química

• Calor & Trabalho

Trabalho (Trabalho (ww)): Energia transferida de um sistema a outro por meio de uma conexão mecânica ou elétrica.

➔ Faz uso do movimento ordenado dos átomos

nas vizinhanças.

➔ Devido ao trabalho um corpo pode ser

deslocado contra uma força que se opõe ao movimento.

➔ A unidade de trabalho é definida em termos

do deslocamento provocado por uma força. 1 J = 1 N·m = 1 kg·m2·s-2.

Termodinâmica: Primeira Lei [2.2]

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Noções de Gases e Termodinâmica Química

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• Calor & Trabalho

Convenção de SinaisConvenção de Sinais: Por convenção, considera-se que a energia (na forma de calor ou de trabalho):

➔ É positiva quando é adicionada ao sistema;

E negativa quando é retirada do sistema.

q > 0: Energia entra no sistema sob a forma de calor;

q < 0: Energia sai do sistema sob a forma de calor.

w > 0: Trabalho é realizado sobre o sistema;

w < 0: Trabalho é realizado pelo sistema.

(20)

71

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• Calor & Trabalho

A Medida do TrabalhoA Medida do Trabalho:

O trabalho w realizado por uma força (externa ao sistema) e que promove um deslocamento é calculado como (Física):

Ex.1: Trabalho para elevar uma massa m a uma altura h

contra a força da gravidade com aceleração g:

➔ Ex.2: Trabalho realizado sobre o sistema em uma compressão

ou expansão de um gás contra uma pressão externa pext: Termodinâmica: Primeira Lei [2.3]

w = força ⋅ deslocamento w = P⋅h = mgh w = −pext⋅ΔV 72 Otávio Santana Otávio Santana

Noções de Gases e Termodinâmica Química

Noções de Gases e Termodinâmica Química Termodinâmica: Primeira Lei [2.3]

• Ex.#1: Cálculo do trabalho realizado por uma força.

– Quando estamos interessados em fontes de energia biológicas e metabolismo, precisamos saber o trabalho realizado por um organismo em suas atividades vitais. Quanta energia um pássaro de 200 g metaboliza para realizar um vôo ascendente de 20,0 m nas vizinhanças da superfície da Terra?

Dado: g = 9,81 m/s2.

Resp.: 39,2 J.

74

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Noções de Gases e Termodinâmica Química

Noções de Gases e Termodinâmica Química Termodinâmica: Primeira Lei [2.3]

• Ex.#2: Cálculo do trabalho realizado por uma força.

– Uma reação química ocorre em um vaso de seção reta uniforme, de 100 cm2, provido de pistão. Devido a reação o pistão se desloca 10,0 cm contra uma pressão externa de 100 kPa. Calcule o trabalho realizado pelo sistema. Nota: despreze o peso do pistão e as forças de atrito.

Resp.: -1,00x102 J.

(21)

75

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Termodinâmica: Primeira Lei [2.3]

• Ex.#2: Cálculo do trabalho realizado por uma força.

– Uma reação química ocorre em um vaso de seção reta uniforme, de 100 cm2, provido de pistão. Devido a reação o pistão se desloca 10,0 cm contra uma pressão externa de 100 kPa. Calcule o trabalho realizado pelo sistema. Nota: despreze o peso do pistão e as forças de atrito.

➔Obs.:

Na compressão: Vf < Vi ∆V < 0  w > 0 (sobre o sistema). Na expansão: Vf > Vi ∆V > 0  w < 0 (pelo sistema).

w = −pexΔV

77

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Noções de Gases e Termodinâmica Química

Noções de Gases e Termodinâmica Química Termodinâmica: Primeira Lei [2.3]

• Ex.#3: Cálculo do trabalho realizado por uma força.

– Em uma compressão/expansão reversível, a pressão p do gás é equilibrada pela pressão externa pext, e se assume que existam apenas diferenças “infinitesimais” entre as pressões. A

compressão/expansão isotérmica reversível

compressão/expansão isotérmica reversível é dada por: Nota: necessita-se de cálculo diferencial/integral.

➔Obs.: Na compressão: Vf < Vi ln(Vf/Vi) < 0  w > 0. Na expansão: Vf > Vi ln(Vf/Vi) > 0  w < 0. dw = − pexdV ≃ −p dV ⇒ w = −

Vi Vf

(

nRT V

)

dV ⇒ w = −nRT ln

(

Vf Vi

)

78 Otávio Santana Otávio Santana

Noções de Gases e Termodinâmica Química

Noções de Gases e Termodinâmica Química Termodinâmica: Primeira Lei [2.3]

• Ex.#4: Cálculo do trabalho realizado por uma força.

– Calcule o trabalho realizado quando 1,0 mol de Ar(g), confinado em um cilindro de 1,0 L a 25 °C, se expande isotérmica e reversivelmente até o volume de 2,0 L.

w = −nRT ln

(

Vf Vi

)

= −(1,0 mol)(8,314 J K−1mol−1)(298K )× ln

(

2,0L 1,0L

)

= −1717 J = −1,7 kJ Resp.: -1,7 kJ.

(22)

79

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Termodinâmica: Primeira Lei [2.3]

• Ex.#5: Cálculo do trabalho realizado por uma força.

– A partir da expressão geral para o cálculo do trabalho:

derivam-se as expressões para o cálculo do trabalho em diferentes tipos de processos:

dw = −pexdV ⇒ w = −

pexdV

Definição Geral:

Isobárico: pex=const. ⇒ w = −pexΔV Isocórico: V = const.w = 0

Espansão Livre: pex=0 ⇒ w = 0

Adiabático: q = 0w = ...(ainda veremos...)

w = −nRT ln(Vf/Vi)

T = const. ⇒

Isotérmico:

[

ReversívelGás Ideal

]

80

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Noções de Gases e Termodinâmica Química

Noções de Gases e Termodinâmica Química

• Calor & Trabalho

A Medida do CalorA Medida do Calor:

Uma forma de se medir o calor q de um processo faz uso de

um calorímetro.calorímetro

➔ É importante ter em mente que

o calor q liberado (ou absorvido) pelo processo que ocorre no interior do calorímetro contribui para o aumento (ou abaixamento) da temperatura detectado pelo termômetro, que se mede como uma variação ΔT. Termodinâmica: Primeira Lei [2.4]

81

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Noções de Gases e Termodinâmica Química

Noções de Gases e Termodinâmica Química

• Calor & Trabalho

A Medida do CalorA Medida do Calor:

Uma forma de se medir o calor q de um processo faz uso de

um calorímetro.calorímetro

➔ Para se utilizar um calorímetro é necessário que seja realizada

a sua calibraçãocalibração.

➔ A calibração do calorímetro consiste na determinação da

constante do calorímetro

constante do calorímetro ou sua capacidade caloríficacapacidade calorífica (C).

A constante C permite relacionar o calor q do processo em seu

interior com a variação observada na temperatura ΔT: Termodinâmica: Primeira Lei [2.4]

(23)

82

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• Calor & Trabalho

A Medida do CalorA Medida do Calor:

Uma forma de se medir o calor q de um processo faz uso de

um calorímetro.calorímetro

➔ Para se utilizar um calorímetro é necessário que seja realizada

a sua calibraçãocalibração.

A calibração pode ser feita eletricamente com uma corrente I,

com tensão V, por um tempo t, sobre uma resistência.

➔ O calor fornecido ao calorímetro é facilmente calculado através

da expressão: Termodinâmica: Primeira Lei [2.4]

q = I⋅V⋅t

83

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Noções de Gases e Termodinâmica Química

Noções de Gases e Termodinâmica Química

• Calor & Trabalho

A Medida do CalorA Medida do Calor:

Uma forma de se medir o calor q de um processo faz uso de

um calorímetro.calorímetro

➔ Para se utilizar um calorímetro é necessário que seja realizada

a sua calibraçãocalibração.

A calibração pode ser feita eletricamente com uma corrente I,

com tensão V, por um tempo t, sobre uma resistência.

➔ A variação de temperatura observada permite calcular a

capacidade calorífica C do calorímetro: Termodinâmica: Primeira Lei [2.4]

q = I⋅V⋅t ⇒ C = q/Δ T = I⋅V⋅t /Δ T

84

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Noções de Gases e Termodinâmica Química

Noções de Gases e Termodinâmica Química Termodinâmica: Primeira Lei [2.4]

• Ex.#6: Calibração e medição de calor.

– Quando uma corrente de 1,23 A, proveniente de uma fonte de 12,0 V, circulou por 123 s em uma resistência contida no calorímetro, a temperatura aumentou de 4,47 °C. Em seguida, em um experimento realizado para medir o calor liberado na combustão de uma amostra de um nutriente, o composto foi queimado em atmosfera de oxigênio dentro do calorímetro, e a temperatura aumentou de 3,22 °C. Qual é o calor liberado pela combustão do composto?

(24)

86

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Termodinâmica: Primeira Lei [2.4]

• Ex.#7: Calibração e medição de calor.

– Quando uma corrente de 1,12 A, proveniente de uma fonte de 11,5 V, circulou por 162 s em uma resistência contida no calorímetro, a temperatura aumentou de 5,11 °C. Em seguida, em um experimento realizado para medir o calor liberado na combustão de uma amostra de um nutriente, o composto foi queimado em atmosfera de oxigênio dentro do calorímetro, e a temperatura aumentou de 2,78 °C. Qual é o calor liberado pela combustão do composto?

Resp.: -1,14 kJ. [o sinal negativo indica liberação de energia]

87

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Noções de Gases e Termodinâmica Química

Noções de Gases e Termodinâmica Química

• Calor & Trabalho

Capacidades Caloríficas IntensivasCapacidades Caloríficas Intensivas:

A capacidade calorífica C é uma propriedade extensivapropriedade extensiva, ou

seja, depende do tamanho (extensão) da amostra.

➔ Também é possível definir a capacidade calorífica para uma

determinada substância.

➔ É mais conveniente que esta seja uma propriedade intensivapropriedade intensiva

neste caso, ou seja, independente do tamanho da amostra.

➔ Há duas formas de se fazer isto: de acordo com a quantidade

química (molar) ou da massa (específica) da amostra. Termodinâmica: Primeira Lei [2.4]

88

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Noções de Gases e Termodinâmica Química

Noções de Gases e Termodinâmica Química

• Calor & Trabalho

Capacidades Caloríficas IntensivasCapacidades Caloríficas Intensivas:

Capacidade Calorífica Molar (C

m):

Capacidade Calorífica Específica (Cs): [ou Calor Específico (c)]

Termodinâmica: Primeira Lei [2.4]

[Cs] = [J ·K −1·g−1] ou [ J ·° C−1·g−1 ] Cs= q m× ΔTq = mCsΔT [Cm] = [J ·K−1·mol−1] ou [ J ·° C−1· mol−1] Cm=n ×Δ Tqq = nCT

(25)

89

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• Calor & Trabalho

Capacidades Caloríficas a Pressão e Volume ConstantesCapacidades Caloríficas a Pressão e Volume Constantes:

➔ Capacidades caloríficas (tanto extensivas e quanto intensivas)

dependem da forma que o calor foi adicionado ao sistema.

Se o calor for fornecido sob volume constante (qV), a pressão

pode variar, mas o sistema não realiza trabalho.

Se o calor for fornecido sob pressão constante (qp), o volume

pode variar, de modo que o sistema pode realizar trabalho.

➔ Neste caso, a parte do calor adicionado que é utilizada como

trabalho não contribui para o aumento de temperatura. Termodinâmica: Primeira Lei [2.4]

90

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Noções de Gases e Termodinâmica Química

Noções de Gases e Termodinâmica Química

• Calor & Trabalho

Capacidades Caloríficas a Pressão e Volume ConstantesCapacidades Caloríficas a Pressão e Volume Constantes:

➔ Capacidades caloríficas (tanto extensivas e quanto intensivas)

dependem da forma que o calor foi adicionado ao sistema.

Como a variação de temperatura ΔT depende do tipo de

processo, as capacidades caloríficas são diferentes!

➔ Portanto, em geral:

Termodinâmica: Primeira Lei [2.4]

Cp= qp ΔT > CV= qV ΔT Cp,m= qp n× Δ T > CV,m= qV n × ΔT Cp,s= qp m× Δ T >CV,s= qV m× Δ T 91 Otávio Santana Otávio Santana

Noções de Gases e Termodinâmica Química

Noções de Gases e Termodinâmica Química Termodinâmica: Primeira Lei [2.4]

• Ex.#8: Capacidade Calorífica Molar.

– A capacidade calorífica molar a pressão constante (Cp,m) da água é 75 J·K-1·mol-1. Calcule o aumento de temperatura de uma amostra de 100 g de água que recebe 1 kJ de calor, sob pressão constante (ficando livre para expandir).

(26)

93

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Termodinâmica: Primeira Lei [2.4]

• Ex.#9: Calor em um processo isotérmico reversível.

– Para um gás ideal a única contribuição para a energia é a cinética, a qual está diretamente relacionada com a temperatura. Portanto, em uma compressão/expansão compressão/expansão

isotérmica reversível

isotérmica reversível a energia do gás ideal é constante, de modo que as contribuições de trabalho são contrabalançadas com as contribuições de calor. Dessa forma:

➔Obs.: Na compressão: Vf < Vi ln(Vf/Vi) < 0  w > 0 q < 0. Na expansão: Vf > Vi ln(Vf/Vi) > 0  w < 0 q > 0. w = −nRT ln

(

Vf Vi

)

q = −w = + nRT ln

(

Vf Vi

)

94 Otávio Santana Otávio Santana

Noções de Gases e Termodinâmica Química

Noções de Gases e Termodinâmica Química Termodinâmica: Primeira Lei [2.4]

• Ex.#10: Calor em um processo isotérmico reversível.

– A transferência de energia de uma região da atmosfera para outra é de grande importância em meteorologia, pois afeta as condições do tempo. Calcule o calor que deve ser fornecido a uma parcela de ar contendo 1,00 mol de moléculas para manter sua temperatura em 300 K durante uma ascensão, quando esta se expande, isotérmica e reversivelmente, de 22,0 L para 30,0 L (assumindo comportamento ideal).

Resp.: +774 J.

96

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Noções de Gases e Termodinâmica Química

Noções de Gases e Termodinâmica Química

• Primeira Lei: Transformações Possíveis

Energia Interna (Energia Interna (UU)):

➔ Calor e trabalho são formas totalmente equivalentes de se

transferir energia para um sistema.

➔ Uma vez que se tenha transferido calor ou trabalho “do” ou

“para o” sistema, este as armazena como “energia interna”.

➢ A evidência experimental desta equivalência foi obtida por

James Joule.

➢ Joule mostrou que a mesma elevação de temperatura de uma

amostra de água é obtida transferindo-se calor ou trabalho. Termodinâmica: Primeira Lei [2.5]

(27)

97

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• Primeira Lei: Transformações Possíveis

Energia Interna (Energia Interna (UU)):

A energia interna (U) é uma propriedade extensivapropriedade extensiva do sistema,

e corresponde a toda a energia armazenada pelo sistema.

A energia interna molar (Um) é uma propriedade intensivapropriedade intensiva, que

depende da pressão e da temperatura.

➔ É uma função de estadofunção de estado, ou seja, o seu valor é independente

da forma como o estado foi obtido.

➔ Não é possível medir o valor absoluto da energia interna, mas,

na prática, apenas interessam as variações de energiavariações de energia (ΔU). Termodinâmica: Primeira Lei [2.5]

98

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Noções de Gases e Termodinâmica Química

Noções de Gases e Termodinâmica Química

• Primeira Lei: Transformações Possíveis

Energia Interna (Energia Interna (UU)):

➔ A variação na energia interna de um sistema é dada por:

onde q é o calor e w o trabalho trocados entre o sistema e suas vizinhanças.

➢ Esta equação expressa a Primeira Lei da TermodinâmicaPrimeira Lei da Termodinâmica,

e corresponde ao Princípio da Conservação da Energia.

➢ A Primeira Lei indica quais transformações são possíveis:

toda e qualquer transformação que conserve energia! Termodinâmica: Primeira Lei [2.5]

ΔU = q + w

99

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Noções de Gases e Termodinâmica Química

Noções de Gases e Termodinâmica Química

• Primeira Lei: Transformações Possíveis

Energia Interna (Energia Interna (UU)):

➔ A variação na energia interna de um sistema é dada por:

onde q é o calor e w o trabalho trocados entre o sistema e suas vizinhanças.

➢ A Primeira Lei da Termodinâmica pode ser enunciada como:Primeira Lei da Termodinâmica

“A variação da energia interna de um sistema é igual a soma das contribuições de calor e trabalho transferidos para este.” Ou: “A energia interna de um sistema isolado é constante.” Termodinâmica: Primeira Lei [2.5]

(28)

100

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Termodinâmica: Primeira Lei [2.5]

• Ex.#11: Cálculo da variação da energia interna.

– Em uma experiência, uma pessoa produziu 622 kJ de trabalho em uma bicicleta ergométrica e perdeu 83 kJ de energia sob a forma de calor. Qual a variação da energia interna desta pessoa? Despreze qualquer perda por transpiração.

Resp.: -704 kJ.

q = −83kJ (Calor perdido pela pessoa = energia perdida)

w = −622 kJ (Trabalho realizado pela pessoa = energia perdida )

ΔU = q + w (Diminuição de energia) = (−622 kJ) + (−83kJ) = −704kJ 101 Otávio Santana Otávio Santana

Noções de Gases e Termodinâmica Química

Noções de Gases e Termodinâmica Química Termodinâmica: Primeira Lei [2.5]

• Ex.#12: Cálculo da variação da energia interna.

– Uma bateria elétrica é carregada pelo fornecimento de 250 kJ de energia na forma de trabalho elétrico, mas há uma perda de 25 kJ de energia na forma de calor para as vizinhanças durante o processo de carga. Qual a variação da energia da bateria?

Resp.: +225 kJ.

102

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Noções de Gases e Termodinâmica Química

Noções de Gases e Termodinâmica Química Termodinâmica: Primeira Lei [2.5]

• Ex.#13: Cálculo da variação da energia interna.

– Vimos no Ex.#9 que, em uma transformação isotérmica transformação isotérmica

reversível

reversível de um gás ideal, as contribuições de calor são contrabalançadas pelas contribuições de trabalho, de modo que: w = −nRT ln

(

Vf Vi

)

q = −w = + nRT ln

(

Vf Vi

)

⇔ ΔU = 0

(29)

103

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• Energia Interna & Entalpia

Energia Interna (Energia Interna (UU): Função de Estado): Função de Estado

➔ Uma importante característica da energia interna é que ela é

uma função de estado.

Isto implica que a variação ΔU

entre dois estados quaisquer de um sistema é independente do caminho da transformação.

➔ Esta independência em relação

ao caminho da transformação é de grande importância para a Química (ex.: Termoquímica). Termodinâmica: Primeira Lei [2.5]

104

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Noções de Gases e Termodinâmica Química

Noções de Gases e Termodinâmica Química

• Energia Interna & Entalpia

Energia Interna (Energia Interna (UU): Função de Estado): Função de Estado

➔ Uma importante característica da energia interna é que ela é

uma função de estado.

Embora a pressão (p) e o

volume (V) sejam também funções de estado, o trabalho

w = -pexdV não é, pois depende

do caminho da transformação

O mesmo vale para o calor q,

razão pela qual a equação da primeira lei não menciona “variações” destas quantidades! Termodinâmica: Primeira Lei [2.5]

105

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Noções de Gases e Termodinâmica Química

Noções de Gases e Termodinâmica Química

• Energia Interna & Entalpia

Energia Interna (Energia Interna (UU): Função de Estado): Função de Estado

➔ Uma importante característica da energia interna é que ela é

uma função de estado. Calor e trabalho não!

➢ Ex: Trabalho de expansão isobárico.

(transformação irreversível)

➢ O trabalho corresponde à área

sob a curva.

Termodinâmica: Primeira Lei [2.5]

(30)

106

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• Energia Interna & Entalpia

Energia Interna (Energia Interna (UU): Função de Estado): Função de Estado

➔ Uma importante característica da energia interna é que ela é

uma função de estado. Calor e trabalho não!

➢ Ex: Trabalho de expansão isotérmico.

(transformação reversível)

➢ O trabalho corresponde à área

sob a curva.

Termodinâmica: Primeira Lei [2.5]

w = −nRT lnVf Vi

107

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Noções de Gases e Termodinâmica Química Termodinâmica: Primeira Lei [2.5]

• Ex.#14: Cálculo do trabalho de expansão.

– Uma amostra de 4,5 g de metano gasoso ocupa o volume de 12,7 L a 310 K. (a) Calcule o trabalho realizado quando o gás se expande isotermicamente contra uma pressão externa constante de 200 torr até o seu volume aumentar de 3,3 L. (b) Calcule o trabalho se a mesma expansão for realizada isotérmica e reversivelmente.

Nota 1: no item (a), a pressão externa é diferente da interna! Nota 2: no item (b), as pressões são iguais (equilíbrio mec.).

Resp.: (a) -88J; (b) -167 J.

109

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• Energia Interna & Entalpia

Energia Interna (Energia Interna (UU): Calor a Volume Constante): Calor a Volume Constante

➔ Outra importante característica da energia interna podemos

determinar ΔU em uma transformação sob volume constante.

Neste caso w = 0, de modo que

a variação na energia interna é:

➢ O subscrito indica um processo

sob volume constante (isocórico).

Termodinâmica: Primeira Lei [2.5]

(31)

110

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• Energia Interna & Entalpia

Entalpia (Entalpia (HH): Calor a Pressão Constante): Calor a Pressão Constante

➔ A variação da energia interna não é numericamente igual ao

calor absorvido quando o volume pode variar.

➢ Neste caso parte da energia é utilizada na realização de

trabalho de expansão, sendo útil trabalhar com a entalpia H:

Como a energia interna U, a pressão p e o volume V são funções de

estado, a entalpia H é, também, uma função de estado.

Termodinâmica: Primeira Lei [2.6]

H = U + pV Hm=Um+ pVm

111

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Noções de Gases e Termodinâmica Química

• Energia Interna & Entalpia

Entalpia (Entalpia (HH): Calor a Pressão Constante): Calor a Pressão Constante

➔ A variação da energia interna não é numericamente igual ao

calor absorvido quando o volume pode variar.

➢ Para um gás ideal, a expressão para a entalpia pode ser

reescrita a partir da equação de estados dos gases:

A entalpia H é particularmente útil para descrever processos a pressão

constante (como veremos), mas é definida para qualquer processo!

Termodinâmica: Primeira Lei [2.6]

H = U + nRT Hm=Um+ RT

112

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Noções de Gases e Termodinâmica Química

Noções de Gases e Termodinâmica Química

• Energia Interna & Entalpia

Entalpia (Entalpia (HH): Calor a Pressão Constante): Calor a Pressão Constante

➔ A variação da energia interna não é numericamente igual ao

calor absorvido quando o volume pode variar.

➢ De acordo com a definição da entalpia, quando o processo

(reversível) ocorre a pressão constante:

➢ O subscrito indica um processo

sob pressão constante (isobárico).

Termodinâmica: Primeira Lei [2.6]

ΔH = qp dH = dU + d( pV )

(32)

113

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• Energia Interna & Entalpia

Funções de Estado: Importância para a TermodinâmicaFunções de Estado: Importância para a Termodinâmica

O fato de U e H serem funções de estado e se relacionarem o

calor qV e qp é de grande importante para a Termodinâmica.

Como U e H são funções de estado não precisamos nos

preocupar em como passamos de um estado para outro:

●Tudo o que importa são os estados inicial e final da transformação,

e não a forma como a transformação ocorreu.

Por outro lado, o calor q

V e qp são quantidades facilmente mensuráveis no laboratório através de técnicas calorimétricas:

●Tudo o que precisamos é de um calorímetro adequado

(a pressão ou volume constante)!

Termodinâmica: Primeira Lei [2.6]

114

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• Energia Interna & Entalpia

Dependência com a TemperaturaDependência com a Temperatura

➔ A energia interna e a entalpia aumentam com o aumento da

temperatura.

➢ A relação entre as variações de energia interna, entalpia e

temperatura são obtidas através das capacidades caloríficas: Termodinâmica: Primeira Lei [2.7]

ΔU = qV=nCV,mΔT ΔH = qp=n Cp,mΔT

115

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• Energia Interna & Entalpia

Dependência com a TemperaturaDependência com a Temperatura

➔ A energia interna e a entalpia aumentam com o aumento da

temperatura.

Para um gás ideal, a partir da relação entre U e H, pode-se

mostrar que: Termodinâmica: Primeira Lei [2.7]

Hm=Um+ RT ⇒ Δ H

m qp,m = Δ

Um qV,m + R Δ T ⇒ Cp,m −CV,m=R Cp,m= qp n× Δ T >CV,m= qV n× Δ T

(33)

116

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Termodinâmica: Primeira Lei [2.7] • Ex.#15: Cálculo de ΔH e Cp.

– Uma amostra de soro sanguíneo, de massa igual a 25 g, é resfriada de 290 K a 275 K, sob pressão constante, retirando-se dela 1,2 kJ de energia sob a forma de calor. Calcule q, ΔH e a capacidade calorífica da amostra.

Resp.: 80 J·K -1.

118

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Noções de Gases e Termodinâmica Química Termodinâmica: Primeira Lei [2.7]

• Ex.#16: Relação entre Cp e CV.

– A capacidade calorífica molar a pressão constante do dióxido de carbono é de 29,14 J·K-1·mol-1. Quanto vale a sua capacidade calorífica molar a volume constante? Nota: assuma que o gás se comporta idealmente.

Resp.: 20,83 J·K -1·mol-1.

120

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Noções de Gases e Termodinâmica Química Termodinâmica: Primeira Lei

Fim da Parte 3

Fim da Parte 3

(34)

121

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• Introdução

Propriedades da EntalpiaPropriedades da Entalpia

A Entalpia H é de grande importância para a Química (sempre

que o processo ocorra a pressão constante) pois:

1. É uma função de estado, de modo que o ΔH entre os estados inicial e final pode ser obtido por diferentes caminhos. 2. A variação ΔH equivale ao calor a pressão constante qp, o que

torna desnecessário contabilizar o trabalho de expansão. 3. O calor qp pode ser facilmente obtido por calorimetria e do

conhecimento do valor de Cp,m (em geral tabelado). Termodinâmica: Termoquímica [3.1]

122

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Noções de Gases e Termodinâmica Química

• Transformações Físicas

Entalpia de Transição de FaseEntalpia de Transição de Fase

➔ A conversão entre duas fases de uma substância requer

energia, sendo acompanhada de variação de entalpia ΔH.

➢ Ex.: sólido  líquido (fusão), líquido  gás (vaporização),

S rômbico  S monoclínico.

Algumas transições são endotérmicas (∆H > 0: s  ℓ, ℓ  g),

outras exotérmicas (∆H < 0: g  ℓ, ℓ  s).

➢ Ex.: Um dos mecanismos do corpo para manter a temperatura

em ~37 °C é a transpiração (evaporação: endotérmico). O vapor de água queima a pele (condensação: exotérmico). Termodinâmica: Termoquímica [3.1]

123

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Noções de Gases e Termodinâmica Química

• Transformações Físicas

Entalpia de Transição de FaseEntalpia de Transição de Fase

➔ Entalpia de Fusão (Entalpia de Fusão (ΔΔHH fus

fus):): Energia fornecida como calor a pressão constante para fundir 1 mol de substância.

➔ Entalpia de Solidificação (Entalpia de Solidificação (ΔΔHH sol

sol): Energia retirada como ): calor a pressão constante para solidificar 1 mol de substância.

➔ Entalpia de Vaporização (Entalpia de Vaporização (ΔΔHH vap

vap):): Energia fornecida...

➔ Entalpia de Sublimação (Entalpia de Sublimação (ΔΔHHsubsub):): Energia retirada... ➔ Entalpia de Liquefação (Entalpia de Liquefação (ΔΔHHliqliq):): Energia retirada...

(35)

124

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• Transformações Físicas

Entalpia de Transição de FaseEntalpia de Transição de Fase

➔ Entalpias de transição de fase podem ser indicadas na forma

de uma Equação TermoquímicaEquação Termoquímica.

➢ Ex.:

➢ As entalpias dependem dos coeficientes estequiométricos, da

temperatura e do sentido da transformação!

Motivo

Motivo: Primeira Lei e o fato de H ser função de estado. Termodinâmica: Termoquímica [3.1] 2H2O(g) → 2H2O(ℓ) ΔHvap= +88 kJ · mol −1(25° C) H2O(ℓ)→ H2O(g) ΔHvap= +44 kJ · mol −1(25°C ) H2O(g) → H2O(ℓ ) ΔHliq= −44kJ · mol−1 (25° C) 125 Otávio Santana Otávio Santana

Noções de Gases e Termodinâmica Química

Noções de Gases e Termodinâmica Química

• Transformações Físicas

Entalpia de Transição de FaseEntalpia de Transição de Fase

➔ Como a entalpia é uma função de estado, a mesma variação é

obtida por uma via direta ou por uma via em etapas.

➢ Ex.:

➢ Para que a soma acima possa ser realizada entalpias das

reações parciais devem estar todas na mesma temperatura!

Nota

Nota: não tem sentido somar H's em diferentes T's! Termodinâmica: Termoquímica [3.1] H2O(s) → H2O(ℓ) ΔHfus= +6,01kJ ·mol −1(0° C) H2O(s) → H2O(g) ΔHsub= +51,08 kJ · mol−1(0° C) H2O(ℓ) → H2O(g) ΔHvap= +45,07 kJ· mol −1 (0°C ) 126 Otávio Santana Otávio Santana

Noções de Gases e Termodinâmica Química

Noções de Gases e Termodinâmica Química

• Transformações Físicas

Entalpia de Transição de FaseEntalpia de Transição de Fase

➔ Devido a Primeira Lei e do fato de que a entalpia é uma função

de estado: Termodinâmica: Termoquímica [3.1]

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• Transformações Físicas

Entalpia de Transição de FaseEntalpia de Transição de Fase Termodinâmica: Termoquímica [3.1]

Entalpias de transição de fase (na temperatura de transição)

Entalpias de transição de fase (na temperatura de transição) Substância Tfus K ΔHfus kJ·mol-1 Tvap K ΔHvap kJ·mol-1 Acetona 177,8 5,72 329,4 29,1 Água 273,2 6,01 373,2 40,7 Amônia 195,3 5,65 239,7 23,4 Argônio 83,8 1,20 87,3 6,50 Etanol 158,7 4,60 351,5 43,5 Hélio 3,5 0,02 4,2 0,08 Mercúrio 234,3 2,92 629,7 59,3 Metano 90,7 0,94 111,7 8,20 128 Otávio Santana Otávio Santana

Noções de Gases e Termodinâmica Química

Noções de Gases e Termodinâmica Química Termodinâmica: Termoquímica [3.1]

• Ex.#1: Determinação da entalpia de transição.

– Eleva-se a temperatura do etanol até seu ponto de ebulição. Quando uma corrente elétrica de 0,682 A, proveniente de uma fonte de 12,0 V, circula por 500 s em uma resistência imersa em etanol líquido em ebulição, observação que 4,33 g do composto são vaporizados, sob pressão de 1,00 atm. Qual é a entalpia de vaporização do etanol, no seu ponto de ebulição? Dado: MC2H2OH = 46,07 g·mol-1.

Resp.: 43,5 kJ·mol-1.

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Noções de Gases e Termodinâmica Química

Noções de Gases e Termodinâmica Química Termodinâmica: Termoquímica [3.1]

• Ex.#2: Determinação da entalpia de transição.

– Eleva-se a temperatura do benzeno até seu ponto de ebulição. Quando uma corrente elétrica de 0,835 A, proveniente de uma fonte de 12,0 V, circula por 53,5 s em uma resistência imersa em etanol líquido em ebulição, observação que 1,36 g do composto são vaporizados, sob pressão de 1,00 atm. Qual é a entalpia de vaporização do etanol, no seu ponto de ebulição? Dado: MC6H6 = 78,11 g·mol-1.

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• Transformações Físicas

Entalpia de Transformações Atômicas/MolecularesEntalpia de Transformações Atômicas/Moleculares

➔ Entalpia de Ionização (Entalpia de Ionização (ΔΔHH ion

ion):): Energia fornecida como calor a pressão constante para ionizar 1 mol de certo gás.

➢ Ex.:

➢ As energias de ionização de ordens superiores são

progressivamente maiores, e são sempre positivas. Termodinâmica: Termoquímica [3.2] Li(g) → Li(g) + + e- ΔH ion (1)= +519 kJ ·mol−1 (0K ) Li(g) + → Li (g) 2++ e- ΔH ion (2) = +7300 kJ ·mol−1 (0K) 132 Otávio Santana Otávio Santana

Noções de Gases e Termodinâmica Química

Noções de Gases e Termodinâmica Química Termodinâmica: Termoquímica [3.2]

• Ex.#3: Determinação da entalpia de ionização.

– Que quantidade de calor deve ser fornecida (a temperatura e pressão constantes) a 1,00 g de magnésio sólido metálico para produzir gás composto de íons Mg2+ e elétrons (a 25 °C)? Dados: MMg = 24,31 g·mol-1, ΔHsub = +148 kJ·mol-1, ΔHion(1) = +738 kJ·mol-1, ΔHion(2) = +1451 kJ·mol-1. Resp.: +96,1 kJ. 134 Otávio Santana Otávio Santana

Noções de Gases e Termodinâmica Química

Noções de Gases e Termodinâmica Química Termodinâmica: Termoquímica [3.2]

• Ex.#4: Determinação da entalpia de ionização.

– Que quantidade de calor deve ser fornecida (a temperatura e pressão constantes) a 1,00 g de alumínio sólido metálico para produzir gás composto de íons Al3+ e elétrons (a 25 °C)? Dados: MAl = 26,98 g·mol-1, ΔHsub = +326 kJ·mol-1, ΔHion(1) = +577 kJ·mol-1, ΔHion(2) = +1820 kJ·mol-1, ΔHion(3) = +2740 kJ·mol-1. Resp.: +203 kJ.

Figure

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References