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

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1 Universidade Federal de Ouro Preto Instituto de Ciências Exatas e Biológicas Deartamento de Química ermodinâmica Aula 3 Professora: Melissa Soares Caetano Discilina QUI 217

2 Mudanças de estado a ressão constante Maioria das mudanças de estado são levadas sob ressão atmosférica constante Recordando: 1 o Princíio U 2 q dv U U q V V1 Pressão constante 1 U 2 2V2 ( U1 V 1 1) q 2 Definição de ΔH = du + dv + Vd 0 Função de estado Entalia H q

3 Diferencial total da entalia dh H d H d 0 dh H d q H d q d C H dh C d H d 0 H f i C d

4 Quando se aquecem 3,0 mols de O 2 reversivelmente na ressão constante de 3,25 atm sua temeratura se eleva de 260K até 285K. A caacidade calorífica molar do O 2, a ressão constante, é 29,4 J/K.mol. Calcule q, w, ΔU e ΔH. Considerar O 2 como gás ideal.

5 Relação entre C P e C V du q dv du C d v dv q C d v dv dv Pressão constante q C d v dv q d C C C v V

6 Relação entre C P e C V C C v V V Pela lei de Joule 0 C C v V Gás ideal V nr V nr C P C V nr

7 Processo a volume constante Não há rodução de trabalho = distância das moléculas é a mesma odo calor extraído vai ara movimento caótico e reflete aumento da temeratura Processo a ressão constante Calor extraído da vizinhança dividido em 3 orções: (1) roduz trabalho nas vizinhanças; (2) energia ara searar as moléculas a distâncias maior; (3) aumenta energia do movimento caótico. Somente última orção reflete aumento de temeratura Para aumento de 1 grau, mais calor recisa ser extraído num rocesso a ressão constante do que num rocesso a volume constante

8 H = U + V dh = du + dv + Vd Restrição de temeratura constante d=0 e dividindo or d VdP dv C d d H d C v V V H

9 Lei de Joule 0 V U nr V Gás ideal 2 nr V 0 V V H 0 V V H

10 Exerimento de Joule-homson Barreira orosa Pistão emurrando Pistão emurrado

11 Exerimento de Joule-homson w 1 0 V 1 1 dv w 2 V dv w w w V V U q w Isolamento U U V V H H 2 1

12 Exerimento de Joule-homson H 1 = H 2 ΔH = 0 A entalia não varia! Processo isoentálico Coeficiente de Joule-homson (µ) Variação da temeratura de um gás com a ressão, a entalia constante. P H

13 Imondo condição dh=0 e dividindo or d P H Coeficiente de Joule-homson isotérmico C d H d C dh H H C 0

14 Diferencial total da entalia dh H d H d dh C d d

15 Calcule ΔH ara transformação de um mol de gás ideal de 27 o C ara 32 o C a ressão constante em que C m = 20,9 + 0,042 (J/k.mol)

16 Exemlos: 1) Se o coeficiente de Joule homson ara CO 2 é 0,6375 K/atm, calcule a temeratura final do CO 2 a 20 atm e 100 o C, que é forçado através de uma barreira até uma ressão final de 1 atm. f = 361,04K 2) O C m de uma certa substância na faixa de temeratura de 250 a 500K a 1 bar de ressão é dada or C m =b+k, onde b e k são constantes conhecidas. Se n mols dessa substância são aquecidos de 1 a 2 a 1 bar (onde 1 e 2 estão na faixa de 250 a 500K) determine a exressão ara ΔH. ΔH= nb ( 2-1 ) + ½ nk ( ) 3) Calcule q, w, ΔU e ΔH ara exansão isotérmica reversível a 300K de 2,0 mols de um gás erfeito de 500cm 3 ara 1500cm 3. ΔU=0; ΔH=0; w=-5480,63j, q=5480,63j 4) Para N 2, C m é quase constante e igual a 3,5R=29,1 J/K.mol ara temeraturas na faixa de 100 a 400K e ressão baixa ou moderada. Calcule q, w, ΔU e ΔH ara comressão adiabática reversível de 1,12g de N 2 de 400 torr e 1000cm 3 ara uma temeratura final de 238,17K e volume final de 250cm 3. Suonha comortamento ideal. ΔU= w= 98,54J; q=0; ΔH=137,95J 5) Para uma exansão reversível de um gás erfeito a ressão constante de 0,8bar desde 20,0 dm 3 até 40,0 dm 3 calcule q, w, ΔU e ΔH quando 2,0g de He aresentam C vm =3/2R essencialmente indeendente da temeratura. Considere a massa molar do He igual a 4,0g/mol. ΔH=q= 4002,09J; ΔU= 2401,23J; w=-1600,86j 6) A caacidade calorífica do gás cloro é dada or: C m = (31,0+0,008) J/K.mol Calcule a variação de entalia quando 2 mols desse gás são aquecidos de 300K a 400K a ressão constante. ΔH= 6760J

17 Alicação do rimeiro rincíio a reações químicas Pressão constante H=q Sistema estiver mais quente deois da reação do que antes Escoar calor ara vizinhança com objetivo de restaurar a temeratura inicial q<0 Reação exotérmica

18 Alicação do rimeiro rincíio a reações químicas Pressão constante H=q Sistema estiver mais frio deois da reação do que antes Escoar calor a artir vizinhança com objetivo de restaurar a temeratura inicial q>0 Reação endotérmica

19 Determinação dos calores de formação Em alguns casos é ossível determinar conduzindo reação de formação num calorímetro C (grafita) + O 2(g) CO 2(g) ΔH θ f = -393,51 kj/mol C (grafita) + 2H 2(g) CH 4(g) Calores determinados or métodos indiretos Reação de combustão: Lado dos reagentes um mol da substância a ser queimada mais oxigênio necessário ara queimála comletamente. Comostos queimam formando CO 2 gasoso e água líquida. ΔH θ c = -890,36 kj/mol

20 Sequência de reação: Lei de Hess A entalia é uma função de estado, ortanto, se transformarmos um dado conjunto de reagentes num dado conjunto de rodutos or mais de uma sequência de reações, a variação total da entalia será a mesma ara cada sequência

21 Método 1 Na (s) + H 2 O (l) NaOH (s) + 1/2H 2 (g) ΔH= -139,78 kj/mol 1/2H 2 (g) + 1/2Cl 2 (g) HCl (g) ΔH= -92,31 kj/mol HCl (g) + NaOH (s) NaCl (s) + H 2 O (l) Na (s) + 1/2Cl 2(g) NaCl (s) ΔH= -179,06 kj/mol ΔH= -411,15 kj/mol Método 2 1/2H 2 (g) + 1/2Cl 2 (g) HCl (g) ΔH= -92,31 kj/mol Na (s) + HCl (g) NaCl (s) + 1/2H 2 (g) Na (s) + 1/2Cl 2(g) NaCl (s) ΔH= -318,84 kj/mol ΔH= -411,15 kj/mol

22 Lei de Hess Na (s) + 1/2Cl 2(g) NaCl (s) ΔH= - 411,15 kj/mol NaCl (s) Na (s) + 1/2Cl 2(g) ΔH= + 411,15 kj/mol H 0 ΔH ara reação reversa é igual, orém de sinal oosto

23 Calor de solução = Variação da entalia associada com a adição de uma dada quantidade de soluto a certa quantidade de solvente, a e constantes. HCl (g) + 10Aq HCl. 10Aq HCl (g) + 25Aq HCl. 25Aq HCl (g) + 40Aq HCl. 40Aq ΔH 1 = -69,01 kj/mol ΔH 2 = -72,03 kj/mol ΔH 3 = -72,79 kj/mol

24 Entalia de ligação Se considerarmos a atomização da molécula O 2 (g) 2O (g) H 2 O (g) 2H (g) + O (g) ΔH o 298= 498,34kJ/mol ΔH o 298= 926,98kJ/mol ½(926,98) = 463,49 é a entalia média de ligação O-H na água H 2 O 2 tem diferentes tios de ligação H 2 O 2(g) 2H (g) + 2O (g) ΔH o 298= 1070,6kJ/mol Admite-se que a ligação O-H na molécula de H 2 O 2 é a mesma na molécula de H 2 O 1070,6-927,0= 143,6KJ/mol Força de ligação simles O-O

25 O besouro bombardeiro esanta seus redadores, exelindo uma solução quente. Quando ameaçado, em seu organismo ocorre a mistura de soluções aquosas de hidroquinona, eróxido de hidrogênio e enzimas, que romovem uma reação exotérmica, reresentada or: O calor envolvido nessa transformação ode ser calculado considerando-se os rocessos: Assim sendo, qual o calor envolvido na reação que ocorre no organismo do besouro?

26 Exemlos: 7) Através das equações a seguir determine o calor de combustão do acetileno(c 2 H 2 ): I C grafite + O 2(g) CO 2(g) ΔH 1 = -94Kcal II H 2(g) + ½O 2(g) H 2 O (liq) ΔH 2 = -68Kcal III 2C grafite + H 2(g) C 2 H 2(g) ΔH 3 = +54,2Kcal 8) Determine a entalia de combustão do etanol, em kcal/mol, sendo dados: ΔHº f, 298K C 2 H 6 O (l) = 66 kcal/mol ΔHº f, 298K CO 2(g) = 94 kcal/mol ΔHº f, 298K H 2 O (l) = 68 kcal/mol 9) Calcule a entalia adrão de reação da seguinte equação a artir das entalias adrões de formação dos comostos 2HN 3(l) + 2NO (g) H 2 O 2(l) + 4N 2(g) Entalia adrão de formação KJ/mol HN 3 = 264,0 H 2 O 2 = -187,78 NO = 90,25 N 2 = 0