Termodinâmica. Energia pode produzir Trabalho Trabalho pode produzir Energia. E ou T = Força x Distância = ML 2.T -2

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Alexandre Soares Canto
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1 Termodinâmica I - Introdução Energia pode produzir Trabalho Trabalho pode produzir Energia Energia e Trabalho são definidos pela Força vezes a distância percorrida pela força: E ou T = Força x Distância = ML 2.T -2 A transformação da energia em trabalho e vice-versa, nas diferentes formas (mecânica, térmica, elétrica etc.) segue as duas leis da termodinâmica. 1- Sistema e Entorno Sistema é uma porção definida do espaço (ex.: solução, molécula, uma célula, o corpo humano, uma sala etc.). Entorno é tudo que envolve o sistema (ambiente). 2- Energia Interna e Energia Externa Os sistemas possuem dois tipos de energia: a) Energia Interna: E. Potencial (composição química). E. Cinética (conteúdo de calor). b) E. Externa: E. Potencial (altura em relação ao campo G). E. Cinética (velocidade de deslocamento do sistema)

2 A energia interna pode ser estudada separadamente da energia externa. Exemplos: Bomba tem a mesma energia interna independente da altura ou se for lançada. Ingestão de banana por macaco em movimento (saltando, correndo, parado). A energia interna da banana é a mesma. 3 Propriedades Intensivas ou Extensivas da Energia Interna Propriedades Intensivas (independem da massa) Pressão Temperatura Voltagem Viscosidade Propriedades Extensivas (dependem da massa) Volume Quantidade de Matéria Densidade Quantidade de Energia Exemplos: A voltagem de duas pilhas de zinco de 1,5v é a mesma, independente do tamanho delas; a quantidade de energia (elétrica) é maior em uma pilha maior. Um litro de água a 90ºC tem maior temperatura que uma piscina de 100 mil litros a 25ºC, mas a quantidade de energia é maior na piscina. II - Termodinâmica Conceitos e Fundamentos As duas leis da termodinâmica disciplinam toda e qualquer mudança que ocorre no Universo. 1) Primeira Lei da Termodinâmica Diz respeito à conservação da energia: A energia não pode ser criada ou destruída, mas somente convertida de uma forma em outra.

3 ou Em todo processo natural, a energia do Universo se conserva. Exemplo: energia gravitacional da água se transforma em diversos tipos. Constatações da 1 a. Lei: i)toda transformação de Energia se acompanha da produção de Energia Térmica (calor). Ex.: alguns seres vivos perdem calor para o ambiente e possuem a temperatura corporal igual a ambiental; outros conservam calor e regulam a sua temperatura. ii) Qualquer forma de energia ou trabalho pode ser convertida totalmente em calor. No entanto, o calor não pode ser totalmente convertido em energia ou trabalho, pois uma parte continua sempre como calor. Esta constatação origina o conceito de Entropia. Em todas as transformações, a soma total de Energia (Trabalho) é constante. iii) A Energia do Universo é constante. 2) Segunda Lei da Termodinâmica Diz respeito à transferência de energia: i) Energia, espontaneamente, sempre se desloca dos níveis mais altos para os mais baixos. ou ii) De onde tem mais, matéria ou energia, vai para onde tem menos.

4 Exemplos: águas caindo da cachoeira, objetos largados ao espaço caem, uma xícara de café quente se esfria, luz é mais intensa perto da lâmpada, som é mais perto na caixa de som etc. iii) A única forma de transmitir matéria ou energia de um nível mais baixo para um outro mais alto é com a realização de trabalho. Exemplos: bomba hidráulica puxando água de um poço para a caixa, uma pessoa levantando um objeto, uma geladeira retirando calor do meio interno (mais frio) e o transferindo para o meio externo (mais quente) com auxílio de um motor (trabalho), célula expulsando Na+, realizando trabalho na membrana. iv) todo sistema que realizou trabalho tem sua energia diminuída. Exemplos: água de uma represa que aciona uma turbina, quando chega ao solo tem menos energia, as fogueiras se extinguem, os animais envelhecem etc. A cada transformação aparece uma energia degradada, incapaz de realizar trabalho chamada de Entropia. Existe uma tendência ao aumento geral e constante da entropia, à medida que as transformações ocorrem. Logo: v) A Entropia do Universo tende ao máximo. A Entalpia (H) é o calor de um sistema. Esse calor modifica de acordo com as diferentes mudanças.

5 Exemplos: formação de compostos, dissolução de uma substância etc. Existe uma entalpia para cada mudança que ocorre no Universo. Quando a mudança libera calor: reação exotérmica e o sistema fica com entalpia negativa (-H). Quando a mudança absorve calor: reação endotérmica e o sistema fica com entalpia positiva (H). Quando retiramos calor de uma reação exotérmica, resfriamos o sistema e a reação atinge o equilíbrio mais rapidamente. Quando adicionamos calor a uma reação endotérmica, aquecemos o sistema e a reação atinge o equilíbrio mais rapidamente. Exemplo: a febre causa um aumento da entropia dos processos biológicos de um paciente. A Energia Livre ( G) de um sistema após reações é: Energia Livre = (Entalpia) (Entropia) Valor relativo Tipo de reação Efeito observado Probabilidade de ocorrência G < 0 Exergônica Libera energia Provável, espontânea. G > 0 Endergônica Absorve energia Improvável, provocada. G = 0 Uma ou outra Reação em equilíbrio dinâmico com Energia mínima e Entropia máxima. Toda reação que ocorre em dois sentidos é espontânea em um sentido e provocada no outro:

6 (Sentido espontâneo (- G) A + B C + D ( Sentido provocado (+ G) H 2 O H + + OH - H + + OH - H 2 O G = - 19 Kcal (espontânea) G = 19 Kcal (provocada) A energia inicial que deflagra o processo de uma reação, mesmo espontânea com - G chama-se energia de ativação (Ea). Assim, uma reação pode ser descrita como: A + B + Ea (AB)* C + D - G (AB)*: complexo ativado que se desfaz nos produtos C + D e libera - G. As reações são mais rápidas quando a Ea é baixa. Um catalisador positivo diminui a Ea, tornando a reação mais rápida. Um catalisador negativo aumenta a Ea, tornando a reação mais lenta.

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