Termodinâmica. Universidade Federal de Ouro Preto Instituto de Ciências Exatas e Biológicas Departamento de Química

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1 Uniersidade Federal de Ouro Preto Instituto de Ciências Exatas e Biológicas Departamento de Química ermodinâmica Aula 2 Professora: Melissa Soares Caetano Disciplina QUI 344

2 Energia Interna e a 1ª Lei da termodinâmica A energia total de um sistema é definida como energia interna. Não pode ser medida em um ponto particular, mas podemos calcular as diferenças de energia numa mudança de estado U U U F i U w Calor e trabalho são maneiras euialentes de se alterar a energia interna do sistema

3 1ª Lei: Lei da conseração da energia Em um sistema isolado, a energia total permanece constante. U 0

4 Função de estado e ariáel de processo Funções de estado: Dependem apenas do estado do sistema e independem do caminho ue lea o sistema de um estado termodinâmico A ao seu estado B. ariáeis de processo: Elas dependem do caminho em ue o sistema passa do estado A para o estado B. B A

5 é uma diferencial exata. Seu alor integrado ΔU é independente do caminho. U As diferenciais d e dw são diferenciais inexatas. Significa ue seus alores integrados w e são dependentes do caminho. dw w d w w w Calor e trabalho 2 1 aparecem durante uma mudança de estado, não são propriedades de estado

6 ariações de energia correlacionadas com ariações nas propriedades do sistema Mudança de estado implica em mudanças nas propriedades do sistema emperatura olume Facilmente mensuráeis nos estados inicial e final Diferencial total U U (, ) U d U d w pd U d U d

7 Mudanças de estado a olume constante Se o olume de um sistema for constante durante a mudança de estado pd 0 pd 0 U d U d 0 U d Relaciona calor com aumento da temperatura

8 Mudanças de estado a olume constante d C U U U d U d 0 ariação finita C d U i f C d Para um sistema a olume constante, a temperatura é um reflexo direto da energia interna

9 Experiência de Joule Identificação da deriada U Gás a alta pressão Medir ariação de temperatura da água do banho uando gás se expande. Interpretação 1) Não há produção de trabalho = expansão no ácuo 2) Como temperatura não ariou = não há troca de calor Portanto ΔU=0

10 Experiência de Joule Como a temperatura não ariou d = 0 U d 0 U d 0 U d 0 U d 0 0 Capacidade calorífica do banho da água e Capacidade calorífica do gás reduzem o efeito dos limites obseráeis Energia é independente do olume e função apenas da temperatura Lei de Joule não é precisa para gases reais

11 d U d U C U U d d C

12 Para gás ideal π = 0 não há interação entre as moléculas C d d 0 C d

13 Mudança de estado adiabática Se não há escoamento de calor durante uma mudança de estado 0 Mudança adiabática Primeiro princípio w Se sistema realiza trabalho w w rabalho produzido as custas de uma diminuição de energia

14 Mudança de estado adiabática com gás ideal Gás ideal C d d C Pd p nr A ueda de temperatura é proporcional ao aumento de olume d C nr d C d nr d

15 Exemplos: 1) Suponhamos ue 1,0 mol de um gás ideal a 292K e 3,0 atm expande-se de 8,0L a 20,0L e uma pressão final de 1,2 atm atraés de uma expansão isotérmica reersíel. Determine o trabalho realizado, o calor transferido e ariação de energia interna. 2) Uma amostra de 1,0 mol de um gás perfeito monoatômico com C m =3/2R, inicialmente a P = 1,0atm e = 300K é auecida reersielmente até 400K, a olume constante. Calcule pressão final,, w e ΔU. 3) Uma amostra de 2,5 moles de um gás perfeito, a 220K e 200KPa é comprimida reersíel e adiabaticamente até a temperatura atingir 255K. A capacidade calorífica molar do gás, a olume constante, é 27,6 J/K.mol. Calcule, w e ΔU. 4) Um cilindro euipado com um pistão sem atrito contém 3 moles de gás Hélio em P=1,0atm e está em um grande banho a temperatura constante de 400K. A pressão é aumentada para 5,0atm. Determine, w e ΔU para esse processo. Considerar o gás como ideal. 5) Calcule a temperatura final de uma amostra de Argônio com 12,0g ue se expande reersíel e adiabaticamente de 1,0dm 3 a 273,15K até 3,0dm 3. Dado C m =3/2R. 6) Uma amostra de 4,0 moles de O 2 está inicialmente confinada num aso de 20dm 3, a 270K e sofre uma expansão adiabática contra uma pressão constante de 600torr até ue seu olume aumente por um fator de 3,0. Calcule, w, ΔU e Δ. 7) Uma amostra de 1,0mol de amônia a 14 atm e 25 o C em um cilindro acoplado a um pistão móel se expande contra uma pressão externa constante de 1,0atm. A pressão e o olume finais do gás são 1,0atm e 23,5L, respectiamente. (a) Calcule a temperatura final da amostra (b) Calcule os alores de, w e ΔU para o processo. Assuma ue a amônia é um gás ideal e C m = 26,3 J/K.mol