História
2Profa. Marcia Margarete Meier
• A sociedade é movida a energia e a invenção da máquina a vapor contribuiu decisivamente na Revolução Industrial, que levou ao aumento da produtividade e diminuição da influência sazonal sobre a produtividade (épocas de seca e chuvas).
•
História
3Profa. Marcia Margarete Meier
calor
H2O(g)
Trabalho: movimento das pás.
Uma máquina à vapor não cria energia, utiliza o vapor para transformar a energia calorífica liberada pela queima de combustível em movimento de rotação e movimento alternado de vaivém, afim de realizar trabalho.
Expansão da águaLíquido -> gás
História
4Profa. Marcia Margarete Meier
Fig. 1 - Esquema de uma máquina térmica.
Perda de calor !
A termodinâmica surgiu pela necessidade de aumentar o rendimento das máquinas a vapor.
História
5Profa. Marcia Margarete Meier
• Termodinânica: Estudo da energia e suas transformações.
• Termoquímica: Estudo das reações químicas e suas variações e transformações de energia.
Ex: energia a partir de combustíveis fósseisEx: energia a partir de biomassaEx: energia advinda de reações químicas como nas bateriaisEx: Degradação do alimento por nosso corpo para geração de energia.
•
Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier 6
A energia se desloca e pode transformar-se:
• Energia vinda da radiação solar (óptica) em aquecimento da água;• Energia vinda da radiação solar em energia elétrica;• Energia potencial em energia cinética;• Energia cinética em energia elétrica
Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier 7
Para compreender o deslocamento da energia precisamos restringir nossa região de estudo:
Sistema:
Sistema e vizinhanças
• Sistema: é a parte do universo na qual estamos interessados em acompanhar a conversão da energia.
• Vizinhança: é o resto do universo.
A natureza da energia
8Profa. Marcia Margarete Meier
Sistema aberto
Sistema fechado
Sistema isoladovizinhança
sistema
universo
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A natureza da energia
Sistema aberto
Sistema fechado
Sistema isolado
Motores de automóveis
Corpo humano
Bolsas de térmicas
Garrafa térmica (aproximadamente)
Em termodinâmica, o universo é formado por um sistema e sua vizinhança.
Transferência da Energia
10Profa. Marcia Margarete Meier
vizinhança
sistema
universo
vizinhança
sistema
universoAo realizarmos trabalho,
nossa energia é transmitida para a vizinhança.
Ao nos alimentarmos, recebemos energia da
vizinhança.
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Quais as maneiras da energia se transformar?
Calor e trabalho
Transferência da Energia
A transferência de energia: trabalho e calor
• Força é uma tração ou uma compressão exercida em um objeto.• A energia utilizada para mover um objeto numa distância (d)
contra uma força (F) é chamada de trabalho.
W = F . d
Transferência da Energia
12Profa. Marcia Margarete Meieruniverso
vizinhança
sistema
vizinhança
sistema
universo
Profa. Marcia Margarete Meier 13
• Exemplos de trabalho:
1) bateria (reação química)realiza trabalho quando empurra uma corrente elétrica em um circuito.
2) mistura de gases quentes de um motor de automóvel empurram um pistão, realizando trabalho.
Transferência da Energia
http://www.youtube.com/watch?v=Hhc6xM0wjKQ
Profa. Marcia Margarete Meier 14
• Outra maneira de transferir energia entre sistema e vizinhança é através do Calor (q) é a transferência de energia entre dois objetos que estão a temperaturas diferentes.
• Calor é uma energia em trânsito que causa alteração da energia interna dos corpos. Não se diz que um corpo tem calor, ele tem energia.
• Não se pode dizer que
Transferência da Energia
Profa. Marcia Margarete Meier 16
1a Lei da Termodinâmica
vizinhança
sistema
universo
W, q
• O sistema e a vizinhança podem trocar calor e trabalho alterando a energia interna do sistema e da vizinhança.
• No entanto, a energia total do universo permanece inalterada.
E = q + w1a Lei da Termodinânica:
A energia não pode ser criada ou destruída. A energia é conservada.
Não existem máquinas de movimento perpétuo!Ou seja, não é possível gerar trabalho sem usar combustível.
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A 1ª Lei da termodinâmica nos diz que a energia não é criada nem destruída, portanto, a energia do universo é constante. Entretanto, a energia pode ser transferida de uma parte para outra do universo. Para estudar termodinâmica é necessário isolar partes do universo (sistema) do restante do universo (vizinhança).
Classificação Conversão da energia
Máquinas automotivas Química/Cinética (deslocamento)
Fornos Química/Calor
Hidroelétricas Potencial Gravitacional/Elétrica
Solar Óptica/Elétrica
Nuclear Potencial atômica/calor, cinética, ótica
Baterias Química/Elétrica
Alimentos Química/calor, cinética
Fotossíntese Óptica/ Química
1a Lei da Termodinâmica
Unidades de energia
• A unidade SI para energia é o joule, J.
• Algumas vezes utilizamos a caloria em vez do joule:
1 cal = 4,184 J (exatos)
1 cal é a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de 1g de água em 1oC.
A natureza da energia
18Profa. Marcia Margarete Meier
Energia interna• Energia interna: é a soma de toda a energia cinética e potencial de todos os
componentes de um sistema.• Em uma reação química por exemplo, a energia interna inclui os deslocamentos das
moléculas pelo espaço, suas rotações e vibrações internas, energia do núcleo de cada átomo e dos elétrons, etc.
• Não se pode medir a energia interna absoluta.
• Em função disso, busca-se determinar a variação da energia interna E = Ef - Ei
A primeira lei da termodinâmica
19Profa. Marcia Margarete Meier
A primeira lei da termodinâmica
20Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier
Quando um sistema sofre qualquer mudança física ou química, a variação obtida em sua energia interna, E, é dada pelo calor adicionado ou liberado pelo sistema, q, mais o trabalho , w, realizado pelo ou no sistema
A primeira lei da termodinâmica
22Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier
Exercício:
Os gases hidrogênio e oxigênio, confinados em um cilindro fechado com um êmbolo móvel, são queimados. Enquanto a reação ocorre, o sistema perde 1.150 J de calor para a vizinhança.A reação faz também com que o êmbolo suba à medida que os gases quentes se expandem. O gás em expansão realiza 480 J de trabalho na vizinhança à medida que pressiona a atmosfera. Qual é a mudança na energia interna do sistema?
Funções de estado• Função de estado: depende somente dos estados inicial e final do sistema, e não de
como o atual sistema foi atingido.
E = Ef- Ei
A primeira lei da termodinâmica
23Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier
• As reações químicas podem absorver ou liberar calor.• No entanto, elas também podem provocar a realização de trabalho.• Por exemplo, quando um gás é produzido, ele pode ser utilizado para empurrar um
pistão, realizando, assim, trabalho.Zn(s) + 2H+(aq) Zn2+(aq) + H2(g)
• O trabalho realizado pela reação acima é denominado trabalho de pressão-volume.
Entalpia
25Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier
Processos endotérmicos e exotérmicos• Endotérmico: absorve calor da vizinhança.• Exotérmico: transfere calor para a vizinhança. (∆H <0, NEGATIVO)• Uma reação endotérmica mostra-se fria.• Uma reação exotérmica mostra-se quente.
Entalpia
27Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier
http://pontociencia.org.br/experimentos-interna.php?experimento=681&TERMITA#top
2 Al (s) + Fe2O3 (s) → Al2O3
(s) + 2 Fe (s)
• Entalpia, H: é o calor transferido entre o sistema e a vizinhança realizado sob pressão constante.
• Entalpia é uma função de estado.
Entalpia
28Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier
• Quando H é positivo, o sistema ganha calor da vizinhança - ENDOTÉRMICO• Quando H é negativo, o sistema libera calor para a vizinhança - EXOTÉRMICO
H = E + PVE = qv
H = qp
Entalpia
29Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier
Exercício: Calcule o trabalho realizado por 50g de ferro que reage com ácido clorídrico em:(a) Um recipiente fechado de volume fixo;(b) Em um becker a 25oC.
A entalpia é uma propriedade extensiva (a ordem de grandeza do H é diretamente proporcional à quantidade):
CH4(g) + 2O2(g) CO2(g) + 2H2O(l) Hr = -890 kJ
2CH4(g) + 4O2(g) 2CO2(g) + 4H2O(l) Hr = 1780 kJ
Entalpias de reação
31Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier
• Quando invertemos uma reação, alteramos o sinal do H:CO2(g) + 2H2O(l) CH4(g) + 2O2(g) H r= +890 kJ
• A variação na entalpia depende do estado:H2O(g) H2O(l) H = -44 kJ
A variação da entalpia de uma reação química é dada por:
Hr = Hf(produtos) - Hf (reagentes)
Equaçõ
es term
oquímica
s
• A lei de Hess: se uma reação é executada em uma série de etapas, o H para a reação será igual à soma das variações de entalpia para as etapas individuais.
• Por exemplo:CH4(g) + 2O2(g) CO2(g) + 2H2O(g) H = -802 kJ
2H2O(g) 2H2O(l) H = -88 kJ
CH4(g) + 2O2(g) CO2(g) + 2H2O(l) H = -890 kJ
Lei de Hess
32Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier
Lei de Hess
33Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier
3) Determine o calor de formação do NaCl(s) a partir das reações abaixo:
A)Na(s) + H2O(l) → NaOH(s) + ½ H2 (g) ∆H = -139,78 kJ/mol½ H2 (g) + ½ Cl2 (g) → HCl(g) ∆H = - 92,31 kJ/molHCl(g) + NaOH(s) → NaCl(s) + H2O(l) ∆H = - 179,06kJ/mol
B)½ H2 (g) + ½ Cl2 (g) → HCl(g) ∆H = - 92,31 kJ/molNa(s) + HCl(g) → NaCl(s) + ½ H2 (g) ∆H = - 318,84kJ/mol
Observe que a entalpia da reação independe do caminho, portanto entalpia é função de Estado!
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4) Quais são os possíveis caminhos químicos para gerar CO2 e água a partir de metano? Qual o valor de H final?
Lei de Hess
Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier 36
Lei de Hess
Exercício: A entalpia de combustão de C em CO2 é -393,5 kJ/mol de C, e a entalpia de combustão de CO em CO2 é -283 kJ/mol de CO. Utilizando estes dados, calcule a entalpia de combustão de C para CO:
(1) C(s) + O2(g) CO2(g) H= -393,5 kJ
(2) CO(g) + 1/2O2(g) CO2(g) H = -283,0 kJ
carvão
H2O(g)
Quando a queima do carbono não é total, gera-se intermediários como o CO(g):C(s) + ½O2(g) CO(g) H = ?????
Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier 37
Composição geral de diferentes tipos de carvão
Lei de Hess
Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier 38
Exercício:Os hidrocarbonetos gasosos eteno (C2H4) e etano (C2H6) são produtos do craqueamento do petróleo. As variações de entalpia-padrão a 298 K para as reações da grafita e hidrogênio gasoso formando 1 mol de cada um desses compostos são =52,5 kJ/mol e -83,8 kJ/mol, respectivamente.
Calcule a variação de entalpia-padrão para a hidrogenação do eteno em etano, a 298 K.
Lei de Hess
Entalpias de formação
39Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier
A equação que representa a formação de uma substância na condição padrão é obtida por meio de seus elementos constituintes (substâncias simples) na forma mais estável a 298,15 K e 1 atm.
6C(gr) + 6H2(g) + 3O2(g) C6H12O6(s) Hfo = -1.273 kJ/mol
H reagentes H produtos Hfo = Ho
fprodutos-Hofreagentes
• Se existe mais de um estado para uma substância sob condições padrão, o estado mais estável é utilizado.
• A entalpia padrão de formação da forma mais estável de um elemento é zero.Exemplo de estados mais estáveis: Cl2 (g); Br2(l); O2 (g); N2 (g); H2(g); Fe(s)
Hro = Ho
fprodutos-Hofreagentes
Entalpias de formação
40Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier
• Se 1 mol de composto é formado a partir de seus elementos constituintes, a variação de entalpia para a reação é denominada entalpia de formação, Ho
f .
• Condições padrão (estado padrão): 1 atm e 25 oC (298 K). • A entalpia padrão, Ho, é a entalpia medida quando tudo está em seu estado padrão.• Entalpia padrão de formação: 1 mol de composto é formado a partir de substâncias em
seus estados padrão.
• Pode-se determinar Ho fusão, Ho
diss, Ho reação, Ho
f,
Entalpias de formação
43Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier
1) Escreva as equações de formação dos compostos abaixo partindo dos respectivos elementos no seu estado mais estável:
a) H2O(l)b) Fe2O3(s)c) HBr(g)d) NH4Cl(s)
2) Calcule a entalpia da reação química abaixo:Fe2O3 + 3H2(g) → 2Fe(s) + 3H2O(l) Dado ∆Ho
f Fe2O3 = -824,2 kJ/mol