Primeira Lei da Termodinâmica Trabalho, Calor e Energia Entalpia

Transcrição

1 Química Geral e Inorgânica QGI0001 Eng a. de Produção e Sistemas Prof a. Dr a. Carla Dalmolin Primeira Lei da Termodinâmica Trabalho, Calor e Energia Entalpia

2 Sistemas Em termodinâmica, o universo é formado por um sistema e sua vizinhança. Vizinhança Sistema

3 Sistemas Sistema Aberto Sistema Fechado Sistema Isolado Troca de matéria com a vizinhança Troca de energia com a vizinhança Ex.: Motor de carro A quantidade de matéria permanece constante Troca de energia com a vizinhança Bolsa de gelo ou água quente Não tem contato com a vizinhança Não há troca de matéria nem de energia Garrafa térmica

4 Energia interna, U Energia Interna É a soma de toda a energia cinética e potencial de um sistema. Não se pode medir a energia interna absoluta, mas queremos saber U. H 2 (g) + O 2 (g) U > 0 U < 0 H 2 O(l) U = U final - U inicial

5 Trabalho e Energia TRABALHO (w): movimento contra uma força oposta Trabalho = força x distância - Um peso levantado contra a força da gravidade - Bateria empurrando uma corrente elétrica num circuito - Mistura de gases num motor empurrando o pistão ENERGIA INTERNA (U): capacidade de um sistema realizar trabalho A energia interna de um sistema pode ser alterada pela realização de trabalho.

6 Trabalho e Energia Unidades: J = kg.m 2.s -2 Convenção de sinais: w > 0 : o sistema recebeu trabalho (aumento da energia no sistema) w < 0 : o sistema realizou trabalho (redução da energia no sistema) Sistema: gás em um cilindro que se expande contra a pressão externa exercida pelo pistão. Trabalho = força x deslocamento Força = pressão exercida pelo pistão (P = f/a) Deslocamento = movimentação (altura) do pistão com a expansão do gás (h) w p. ext V

7 Calor Energia transferida em conseqüência de uma diferença de temperatura Região de alta temperatura CALOR Região de baixa temperatura Quando o sistema não realiza trabalho, mas sofre uma variação de temperatura: ΔU = q q > 0 Sistema recebeu calor (aumento de energia) q < 0 Sistema perdeu calor (diminuição de energia)

8 Calorimetria Medida do calor envolvido numa transformação Capacidade calorífica: a quantidade de energia necessária para aumentar a temperatura de um objeto (em 1 grau). C q q C. T T Capacidade calorífica molar: capacidade calorífica de 1 mol de uma substância. C s C q mc. T m s. Calor específico: a capacidade calorífica específica: a capacidade de calor de 1 g de uma substância. C m C q n. C T n m.

9 Capacidade Calorífica Calcule o calor necesário para aumentar em 20 C a temperatura de a) 100g de água b) 2 mol de água Dados: C s (H 2 O) = 4,18 J/K.g C m (H 2 O) = 75 J/K.mol a) 8,4 kj b) 3,0 kj

10 Primeira Lei da Termodinâmica A energia interna de um sistema isolado é constante A energia interna pode ser alterada de duas formas: Transferência de calor Trabalho ΔU = q + w Lei empírica: originária de observações experimentais Comprovada pela impossibilidade de construir uma máquina de movimento perpétuo

11 Primeira Lei da Termodinâmica Um motor de automóvel realiza 520 kj de trabalho e perde 220 kj de energia na forma de calor. Qual é a variação da energia interna do motor? w = kj q = kj U = q + w U = kj 520 kj = kj

12 U, Calor e Trabalho A energia não pode ser criada ou destruída. A energia (sistema + vizinhança) é constante. Toda energia retirada de um sistema deve ser transferida para as vizinhanças (e vice-versa). A partir da primeira lei da termodinâmica: quando um sistema sofre qualquer mudança física ou química, a variação obtida em sua energia interna, U, é dada pelo: calor adicionado ou liberado pelo sistema, q, o trabalho realizado pelo ou no sistema U q w

13 Sistemas a Pressão Constante Quando o volume do sistema não é constante, a transferência de calor gera também um trabalho compressão / expansão ΔU = q P w Trabalho de expansão a P constante Energia transferida sob a forma de calor Reações químicas

14 Entalpia (H) Função de estado definida a partir da combinação de outras funções de estado (energia, pressão e volume) H = U + PV ΔU = q P + w ΔU = q p P ext ΔV q p = ΔU + P ext ΔV q p = ΔU + PΔV ΔH Variação de entalpia A variação da entalpia é o calor liberado / absorvido por um sistema à pressão constante

15 Variação da Entalpia (ΔH) Calor envolvido durante uma transformação física ou química a pressão constante. Reação Endotérmica: absorve calor da vizinhança H f > H i ; H > 0 Vizinhança Reação Exotérmica: libera calor para a vizinhança H f < H i ; H < 0 Reação Endotérmica Reação Exotérmica

16 Reação Endotérmica

17 Reação Exotérmica