Uniersidade Federal de Ouro Preto Instituto de Ciências Exatas e Biológicas Departamento de Química ermodinâmica Aula 2 Professora: Melissa Soares Caetano Disciplina QUI 344
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
1ª Lei: Lei da conseração da energia Em um sistema isolado, a energia total permanece constante. U 0
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
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
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
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
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
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
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
d U d U C U U d d C
Para gás ideal π = 0 não há interação entre as moléculas C d d 0 C d
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
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
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