LISTA TERMOQUÍMICA RESOLVIDA 1 - Responda as perguntas perguntas abaixo: abaixo: a) Quais as duas formas em que um objeto pode possuir p ossuir energia? Em que essas duas formas diferem? Energia cinética e energia potencial. A energia cinética está associada à quantidade de movimento de um sistema, enquanto que a energia potencial está associada a posição de um objeto em relação a outro (pode ser gravitacional, eletrostática, elástica, etc.). b) Como é conhecida conhecida a energia energia que as substâncias substâncias possuem? possuem? Defina. Energia Potencial Química - Energia acumulada nos arranjos dos átomos da substância. Energia térmica – Energia Energia das substâncias devido ao movimento das partículas dessa substância. c) Qual o significado si gnificado da expressão energia potencial química? De que forma esse termo distingue dos termos energia cinética e energia potencial? A energia potencial química é a energia que está relacionada com a posição de partículas submicroscópica submicroscópicass umas em relação às outras e com suas ligações intramoleculares e interiônicas. É proveniente da ligação entre os átomos nas substâncias e nos agregados dos materiais. Diferencia-se dos termos energia cinética e potencial no sentido de que está associada a espécies químicas e não a objetos macroscópicoss do mundo físico. macroscópico d) Qual o significado do termo termodinâmica? Termodinâmica é o estudo da energia e de suas transformações. e) Sob quais condições a energia é transferida de um objeto para outro? Na forma de calor calor ou trabalho. Trabalho é a energia utilizada para mover um sistema contra uma força oposta. Um sistema pode realizar trabalho sobre sua vizinhança ou vice-versa. Por exemplo, uma pessoa (sistema) pode levantar um objeto (vizinhança) contra a força da gravidade. O sistema está realizando trabalho sobre a vizinhança, ou seja, transferindo energia, nesse caso o sinal para a expressão matemática de trabalho é negativo. Calor é a energia transferida tr ansferida em conseqüência da diferença de temperatura. Um sistema pode transferir calor para a vizinhança ou receber calor proveniente dela. Por exemplo, ao tocar na região metálica de um ferro de passar ligado, a pessoa (sistema) recebe calor da vizinhança (ferro de passar), ou seja, energia é transferida da vizinhança para o sistema, nesse caso se diz que o sinal para a expressão matemática de calor é positivo, representando que energia foi transferida da vizinhança para o sistema.
f) Sob quais condições as grandezas Q e w serão números negativos? Q – O O valor matemático para calor, representado por Q ou q, é negativo quando calor é transferido do sistema para a vizinhança, ou seja, quando o sistema “perde” calor. w - O valor matemático para trabalho, representado por w, é negativo quando o sistema realiza trabalho sobre a vizinhança, ou seja, quando o sistema “realiza” trabalho.
Q - O valor matemático para calor, Q ou q, é positivo quando calor é transferido da vizinhança para o sistema, ou seja, quando o sistema “recebe” calor.
w - O valor matemático para trabalho, w, é positivo quando a vizinhança realiza trabalho sobre o sistema, ou seja, quando o sistema “recebe” trabalho.
2 - Explique porque a primeira lei da termodinâmica termodinâmica é chamada de princípio da conservação da energia. O enunciado do princípio de conservação da energia diz que “a energia inter na de um sistema isolado a constante”. Se a energia é constante, significa que o valor é sempre a
mesma, isto é, energia não pode ser gerada nem destruída, de modo que a energia é conservada. Obs.: Como o universo é um sistema isolado sua energia interna é constante, então nenhuma energia pode ser gerada ou destruída no universo, pode ser apenas transformada, ou seja, a energia do universo se conserva. 3 - Para os seguintes processos, calcule a variação na energia interna do sistema e determine se o processo é endotérmico ou exotérmico: a) Um balão é aquecido pela adição de 900 J de calor . Ele expande-se, realizando 422 J de trabalho na atmosfera. A variação de energia interna de um sistema é dada pela quantidade de trabalho tr abalho e calor que entra ou sai do sistema: ∆U = w + q
O balão recebe 900J de calor, ou seja, calor sai davizinhança para o sistema, o sinal para calor será positivo: q = +900J O balão expande-se realizando 422J de trabalho na atmosfera, isto é, trabalho é realizado sobre a vizinhança vizinhança pelo sistema, o sinal sinal para trabalho será negativo: negativo: w = 422J ∆U = w + q =
-422J + (+900J) = +478J (a energia interna do sistema aumenta).
O processo é endotérmico quando há absorção de calor e exotérmico quando há liberação de calor, como calor sai da vizinhança para o sistema, o processo é
endotérmico(perceba que para um processo endotérmico o sinal matemático para calor endotérmico(perceba será positivo). b) Uma amostra de 50 g é resfriada de 30 °C para 15 °C, nisso perdendo aproximadamente 3140 J de calor e não realiza trabalho na vizinhança. A amostra é resfriada, diminuindo-se dimi nuindo-se sua temperatura, perdendo 3140 J de calor, ou seja, calor sai do sistema para a vizinhança, o sinal para calor será negativo: q = -3140J A amostra não realiza trabalho na vizinhança, nem a vizinhança realiza trabalho sobre o sistema, então o trabalho é nulo: w = 0J ∆U = w + q =
0J + (-3140J) = -3140J (a energia interna do sistema diminui).
O processo é exotérmico, pois calor sai do sistema para a vizinhança (perceba que para um processo exotérmico o sinal matemático para calor será negativo). c) Uma reação química libera 8,65 kJ de calor e não realiza trabalho na vizinhança. A reação libera calor, ou seja, calor sai do sistema para a vizinhança, o sinal para calor será negativo: q = -8,65 kJ A reação não realiza trabalho trabalho na vizinhança, nem nem a vizinhança realiza trabalho trabalho sobre o sistema, então o trabalho é nulo: w = 0J ∆U = w + q =
0J + (-8,65 kJ) = -8,65 kJ (a energia interna do sistema diminui).
O processo é exotérmico, pois calor sai do sistema para a vizinhança. *Perceba que o processo processo ser exotérmico ou endotérmico endotérmico NÃO está relacionado relacionado com a variação de energia interna, mas com a variação de entalpia que é uma grandeza relacionada ao fluxo de calor em uma transformação a pressão constante. 4 -Uma determinada reação se realiza à pressão constante. Se 6 kJ de calor são absorvidos pelo sistema e 2 kJ de trabalho são realizados pelo sistema sobre a vizinhança, quais os valores de q, ∆H e w?
- Calor é absorvido pelo sistema, então calor é transferido da vizinhança para o sistema, o sinal para calor é positivo: q= +6kJ. - Trabalho é realizado pelo sistema sobre a vizinhança, assim o sinal para trabalho é negativo: w= - 2kJ. - Como a transformação acontece à pressão constante a variação de entalpia é igual ao fluxo de calor do sistema: ∆H = q = +6kJ .
5 - Calcule o trabalho quando certo gás ideal se expande de um volume de 5 L para 20 L, à temperatura constante de 25 °C, se a expansão é realizada: a) no vácuo; A expressão para o trabalho de expansão de um gás é: w exp= -Pext∆V. No vácuo Pext= 0, então o trabalho de expansão também é igual a zero: wexp= -Pext∆V = -0∆V = 0. b) contra uma pressão pressão constante de 0,2 atm. Utilizando a expressão para trabalho de expansão: ∆V = Vf– Vi= Pext = 0,2atm Vi= 20L – 5L 5L = 15L wexp= -Pext× ∆V = -0,2atm 15L = -3,0atm L Podemos transformar a unidade de energia de atm•L para J , que é unidade que temos
usado: 1atm•L = 101,325 Joule
6 - Calcule o trabalho e a variação de energia interna para a expansão de 20 g de nitrogênio de um volume de 3 L pata 5 L, à temperatura constante de 300 °C, contra uma pressão oposta constante de 0,50 atm, se são absorvidos 10 J de energia como calor. Como a variação de energia interna, ∆U, é dada por: ∆U = w + q, precisamos calcular o
trabalho de expansão do nitrogênio primeiro, temos que: wexp = -Pext∆V Onde, Pext = 0,50 atm
∆V = Vf – – V Vi = 5L – 3L 3L = 2L
w exp Pext V = -0,5atm 2L = -1atm L
Convertendo atm•L em J: w exp
-1,0atm L
101,325 J 1atm L
= -101, 325 J
O trabalho de expansão realizado pelo gás nitrogênio foi de 101,325J (não se esqueça que o sinal apenas representa que trabalho foi realizado do sistema sobre a vizinhança). Agora podemos calcular a variação de energia interna:
- A questão diz que foram absorvidos 10J de calor, então: q= +10J 325 J (10J) 91, 32 325J U w q = -101, 32
A energia interna do sistema diminui no valor de 91,325J. 7 - Os air-bags que fornecem proteção em automóveis no caso de um acidente expandem como resultado de uma reação química rápida. Do ponto de vista dos reagentes químicos como o sistema, o que você esperaria para os sinais de q e w nesse processo? Trabalho de expansão é realizado do sistema sobre as vizinhanças, então o sinal de w é negativo. Calor é absorvido das vizinhanças vizinhanças para o sistema, então o sinal de q é positivo. 8 - Todos estamos familiarizados com os princípios gerais de operação de um motor de combustão interna: a queima do combustível empurra o pistão. Pode-se imaginar um motor que use outras reações além das de combustão; neste caso, precisamos saber quanto trabalho pode ser realizado. Uma reação química ocorre num vaso de seção reta uniforme, de 100 cm 2, provido de um pistão. Em virtude da reação, o pistão se desloca 10 cm contra a pressão externa de 100 kPa. Calcule o trabalho feito pelo sistema. Mais uma vez, trabalho de expansão é w exp = -Pext∆V, Pext = 100kPa A questão não fornece o volume inicial e final, mas fornece a distância pela qual o pistão será deslocado e a área da base do pistão. Sabendo que o volume de um sólido geométrico é dado pela área da base multiplicada pela altura (V=A bxh), e nesse caso a altura fornecida é a distância pela qual o pistão se desloca, podemos calcular ∆V.
Pistão
Assim:
V A b h = 100cm2 10cm = 1000cm3
Transformando de cm³ para L: 1cm³ = 1mL, então 1000cm³=1000mL e ∆V=1000mL, como 1L = 1000mL:
V 1000mL
1L 1000mL
= 1L
Calculando o trabalho de expansão:
w exp Pext V = -100kPa 1L = -100kPa L Como kPa•L = J, w =
-100J
A reação química realiza 100J de trabalho sobre o pistão.
9 - Numa Numa compreensão isotérmica isotérmica reversível de 52 mmoles de um gás perfeito a 260 K, o volume do gás se reduz de 300 mL para 100 mL. Calcule w envolvido no processo.
Para uma expansão ou compressão isotérmica reversível, a pressão externa é iguala pressão interna (pressão do gás no sistema) uma variação infinitesimal na pressão externa ou interna provoca uma mudança no sistema.
Para calcular o trabalho de uma compressão isotérmica reversível é necessário usar o cálculo integral, farei agora a dedução da expressão para trabalho que utilizaremos neste tipo de resolução, se você já sabe deduzir a expressão passe direto para a parte “RESPOSTA”, se não, tente entender o processo pois será importante saber fazer esse
tipo de dedução ao longo do curso (essa dedução caiu na 1ª avaliação da turma passada):
- A expressão do trabalho para uma variação infinitesimal de volume será:
dw = -PextdV, como P ext = Psist: dw = -PdV, mas para um gás ideal pressão é: P
nRT
V
Substituindo a expressão para a pressão de um gás ideal na expressão de trabalho infinitesimal: dw
nRT nRT V
dV
O valor do trabalho total realizado é a integral dessas contribuições infinitesimais quando o volume muda de um valor inicial a um valor final:
w
Vf
nRT nRT V
Vi
dV
Como a quantidade de matéria, a temperatura e a constante dos gases são constantes podemos extraí-las da integral:
w nRT
Como a integral de
1 V
Vf
1
Vi
V
dV
dV ln V :
w nRT(ln Vf ln Vi )
Como ln x ln y ln
x y
:
w nRT ln
Vf Vi
Obtivemos assim a expressão para o trabalho de compressão/expansão para um processo isotérmico isotérmico reversível.
RESPOSTA:
Usamos a expressão para o trabalho de compressão/expansão para um processo isotérmico reversível:
w nRT ln
Vf Vi
A questão fornece os dados: n= 52mmoles, precisaremos converter de mmol para mol, sabendo que 1mol = 10³mmoles: n 52mmoles
-1
R = 8,314J•K •mol
-1
1mol 10³mmoles
T = 260K
= 5, 2 102 mol
Vi= 300mL w nRT ln
Vf = 100mL
Vf Vi
w (5, 2 102 mol)(8, 314J K1 mol1 )(260K) ln
100mL 300mL
123, 5J
A vizinhança realizou sobre o sistema um trabalho de compressão isotérmica reversível de 123,5J.
10 - Um elemento de calefação elétrica fornece calor a amostra de 15,5 g de iodo, I 2, à taxa de 3,8 J/s. Passam-se 4,54 minutos entre o instante em que o iodo principia a fundir e o instante em que termina a fusão. Qual a entalpia de fusão por mol de iodo?
Energia – 3,8 J/s durante 4,54 minutos 15,5g de I2
Elemento de calefação elétrica
Perceba que para fundir o iodo são fornecidos 3,8J de energia por segundo durante 4,54 minutos à amostra de 15,5g de iodo. A entalpia de fusão por mol é a quantidade de energia necessária necessária para fundir 1 mol de iodo. Primeiro calculamos a quantidade de energia recebida pelo iodo: Convertendo minutos em segundos segundos:: Fazendo a regra de três: 3,8 J são fornecidos durante 1s x são fornecidos durante 272,4 s
Os 15,5g de iodo precisaram de 1035,12J de energia para fundir, um mol de iodo têm 253,8g, fazemos a regra de três para calcular a variação de entalpia de fusão: 1035,12J de energia são fornecidos à ∆Hfusão de energia são fornecidos à
ã
15,5g 253,8g/mol
