TERMODINÂMICA QUÍMICA Prof a. Loraine Jacobs lorainejacobs@utfpr.edu.br http://paginapessoal.utfpr.edu.br/lorainejacobs DAQBI
Reações Químicas Fatores que determinam a ocorrência de ligações químicas: Cinética Química. Velocidade das transformações Termodinâmica. A reação ocorrerá sem ajuda externa? Posição de equilíbrio da reação.
Termodinâmica Química Combustão do CH 4 : CH 4 + 2O 2 CO 2 + H 2 O Quebra das ligações C-H e O-O Formação das ligações H-O e C-O Produção de grande quantidade de energia na forma de calor
Termodinâmica Química Termodinâmica Estudo das transformações de energia. Explica porque as reações ocorrem; Previsão do calor cedido ou absorvido para ocorrência de reações;
Termodinâmica Química Primeiras Teorias Fluído calórico que parte de uma substância quente para outra mais fria (Carnot) Calor e trabalho são formas de energia e um pode se converter no outro (Joule)
Termodinâmica Química Termodinâmica Baseada em experimentos nos quais a energia é transformada de uma forma para outra e transferida de um lugar para outro. Lei da conservação da energia. Ex: Usina hidrelétrica Alimentação das Cidades Alimento Digerido Energia Cerebral
Termodinâmica Química Sistemas parte do universo que se deseja estudar, discutir ou visualizar; Vizinhança onde se observa a energia transferida para ou do sistema. Sistema aberto: troca energia e matéria com as vizinhanças (motores de automóveis, corpo humano) Sistema fechado: tem quantidade fixa de matéria, mas pode trocar energia com as vizinhanças (bolsa de água quente ou fria); Sistema isolado: não tem contato com as vizinhanças (café dentro da garrafa térmica).
Termodinâmica Química
Termodinâmica Química Fronteiras do Sitema: Fronteira Diatérmica: São permeáveis à passagem de energia na forma de calor. Há diferença de temperatura entre o sistema e sua vizinhança. Fronteira Adiabática: Não permite a transferência de energia na forma de calor entre o sistema e a vizinhança
Termodinâmica Química Estado do Sistema Conjunto particular de condições. Pressão Temperatura Volume Número de mols Estado físico Estudo dividido em 2 partes: 1ª Lei: trata das variações de energia e o cálculo do calor das reações; 2ª Lei: ocorrência ou não de algumas reações.
Termodinâmica Química Calor (q): q = quantidade de calor absorvida por um sistema
Termodinâmica Química Calor flui naturalmente ou espontaneamente de um sistema mais quente (temperatura mais alta) para um sistema mais frio (temperatura mais baixa). Embora seja possível "transferir" calor de um sistema mais frio para um outro mais quente (refrigerador e condicionador), um gasto de energia é requerido para produzir a transferência de calor em um sentido não-natural. A unidade de energia utilizada largamente em bioquímica é a caloria: 1 caloria (cal) = quantidade de calor necessária para elevar em 1 ºC a temperatura da água (1 cal 4,18 J; 1Kcal 4,18 KJ)
Termodinâmica Química Processos Exotérmicos e Endotérmicos Trocas de energia, na forma de calor, envolvidas nas reações químicas e nas mudanças de estado físico das substâncias. Processo Exotérmico: Ocorre liberação de Calor Ex; A B + Calor Processo Endotérmico: Ocorre com a absorção de Calor Ex; A + Calor B
Calor Reação exotérmica Reação endotérmica
Calorimetria O calor liberado ou absorvido durante as transformações físicas e químicas é medido no laboratório por meio de um calorímetro. Mede-se Temperatura Inicial (antes de iniciar a reação) e T final (após término da reação).
Capacidade Calorífica Quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de um sistema em 1 o C. Para substância pura expressa de acordo com a quantidade em mols. Unidade SI: J / o C mol A capacidade calorífica relaciona a quantidade de calor, q, ao aumento de T do sistema. Desta forma: q = nc T
Capacidade Calorífica Capacidade calorífica de algumas substâncias.
Trabalho Trabalho (w) é a propriedade fundamental da termodinâmica, sendo definido com um movimento contra uma força w =quantidade de trabalho realizado sobre o sistema. O trabalho pode ser feito sobre o sistema, ou as vizinhanças de um sistema podem realizar trabalho sobre este. Unidade de trabalho, e portanto de energia, Joule (J)
Trabalho
Termodinâmica Química Distinção entre trabalho (w) e calor (q) Trabalho Transferência de energia que se aproveita do movimento organizado dos átomos (ou moléculas) da vizinhança. Ex: Compressão de um Gás Trabalho efetuado pelo peso que se desloca de maneira ordenada gerando compressão. Calor Transferência de energia que se aproveita do movimento térmico das partículas nas vizinhanças do sistema. Ex: Compressão de um Gás: A compressão gerada acelera as moléculas do sistema aumentando o caos do movimento térmico das moléculas.
Termodinâmica Química Energia: Capacidade de realizar trabalho. Energia Radiante: vem do sol e é a fonte primária de energia na terra. Energia Térmica: energia associada ao movimento aleatório de átomos e moléculas. Energia Química: energia armazenada nas ligações químicas das substâncias Energia Nuclear: energia armazenada nos nêutrons e prótons do núcleo atômico Energia Potencial: energia disponível devido à posição de um objeto
Termodinâmica Química Na termodinâmica, capacidade total de um sistema realizar trabalho é chamada Energia Interna, U Energia Interna (U) é uma função de estado, pois seu valor depende do estado em que se encontra o sistema. Como não é possível medir a energia total do sistema, mede-se a variação de energia: ΔU = U final U inicial U sistema aumenta: adição q (q>0) trabalho no sistema (w>0) U sistema diminui: retirar q (q<0) trabalho na vizinhança (w<0)
1ª Lei da termodinâmica Se nenhum trabalho é realizado: ΔU = q (não há trabalho realizado) Se um trabalho é realizado, mas não há calor absorvido ou liberado: ΔU = w (não há calor transferido) Quando calor e trabalho estão envolvidos, a variação da energia de um sistema está relacionada com estas quantidades por: ΔU = q + w 1ª lei da termodinâmica implica na equivalência de calor e trabalho com o significado de transferência de energia.
TRABALHO DE EXPANSÃO Um sistema pode realizar dois tipos de trabalho: Trabalho de expansão contra uma força externa; Trabalho de não-expansão, isto é, um trabalho que não envolve variação de volume.
TRABALHO DE EXPANSÃO Trabalho de Expansão Gás e Cilindro Pressão externa é constante, como ocorre quando a atmosfera pressiona o pistão. Relação trabalho X pressão externa, P ext quando o sistema se expande pelo volume V. Um sistema realiza trabalho quando se expande contra uma pressão externa. Um gás em um cilindro com um pistão preso. O pistão e liberado e o gás se expande contra a pressão Pext. O trabalho realizado e proporcional a Pext e a variação de volume, V, que o sistema experimenta
TRABALHO DE EXPANSÃO Pressão é a forca aplicada dividida pela área (P = ƒ/a), a forca que se opõe à expansão é o produto da pressão que atua no lado externo do pistão pela área do pistão (ƒ =PA), então ƒ =P ext A. Supondo o deslocamento do pistão seja d, o trabalho que o sistema realiza e: Trabalho = d x P ext A, onde d x A = V Trabalho realizado = P ext V
TRABALHO DE EXPANSÃO Quando um sistema se expande, ele perde energia como trabalho ou, em outras palavras, se V é positivo, w é negativo. Podemos, portanto, escrever: w expansão = - P ext V (só é aplicável quando a pressão externa é constante durante a expansão) Um sistema não realiza trabalho de expansão quando se expande no vácuo (P ext = 0), essa expansão é chamada de expansão livre. Se P (atm) e V(litros) 1Latm 101,3 J
TRABALHO DE EXPANSÃO x 1 a LEI Transformação com calor trasnferido e trabalho de expansão sendo realizado: Se: ΔU = q + w w expansão = - P ext V ΔU = q (P ext V )