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TERMODINÂMICA Estuda as propriedades macroscópicas dos sistemas materiais e suas relações, mediantes uma descrição que considera as diferentes formas de.

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1 TERMODINÂMICA Estuda as propriedades macroscópicas dos sistemas materiais e suas relações, mediantes uma descrição que considera as diferentes formas de manifestação e interconversão de energia. Conceitos fundamentais: Sistema - aberto, fechado e isolado. Fronteira - diatérmica e adiatérmica (adiabática). Propriedades - intensivas e extensivas Conceitos fundamentais: Sistema - aberto, fechado e isolado. Fronteira - diatérmica e adiatérmica (adiabática). Propriedades - intensivas e extensivas

2 PRINCÍPIO ZERO DA TERMODINÂMICA Equilíbrio termico Dois corpos que estão em equilíbrio térmico com um terceiro corpo estão em equilíbrio térmico entre si. a bc a bc Enquanto houver transferência de calor as propriedades de b e de c modificam-se

3 Outros equilíbrios Equilíbrio mecânico: quando a pressão é a mesma em todos os pontos do sistema e também igual à pressão externa, no caso de fronteiras móveis temos o equilíbrio mecânico. Equilíbrio químico: quando o potencial químico é igual em todas as parte do sistema. O estado de um sistema é definido pela sua descrição completa e inequívoca baseada na enumeração de suas propriedades macroscópicas. ESTADO TERMODINÂMICO Quando um sistema está em equilíbrio - isto é, suas propriedades termodinânicas não variam com o tempo, diz-se que ele está em um detreminado estado. O estado de qualquer sistema pode ser descrito por algumas variáveis termodinâmicas. Quanto mais complexo o sistema, maior o número de variáveis.

4 Processos (Caminho) :Cíclico Reversível: H 2 O (s) H 2 O (l) Irreversível: mesmo que o istema retorne ao estado inicial é impossível fazer com que o meio ambiente retorne às condições de partida

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6 TRABALHO E CALOR TRABALHO: É uma trasnsferência de energia que pode causar um movimento contra uma força que se opõe a esse movimento (W). CALOR: Transferência de energia devida a uma diferença de temperatura entre o sistema e as vizinhanças (q). UNIDADE: [J] = kg.m 2 s -2 sistema W Fornece energia W < 0 sistema W Retira energia W > 0 sistema q Retira calor q > 0 sistema q Fornece calor q < 0

7 TrabalhoCalor Conversão de energia em organismos vivos

8 Exemplos: tipos de trabalho trabalhoForça motriz mecânicoForça física (N) Eixo deferencialTorque (N) hidráulicoPressão (Pa) elétricoVoltagem (V) químicoConcentração (molL -1 ) Trabalho mecânico: Unidade de calor: 1 caloria = 1cal = calor necessário para elevar a temperatura de um grama de água em um grau Celsius (de 14,0ºC a 15,0ºC). 1cal = 4,18J

9 O PRIMEIRO PRINCÍPIO DA TERMODINÂMICA Lei da conservação da energia: a energia em um sistema pode manifestar-se sob diferentes formas como calor e trabalho. A energia pode ser interconvertida de uma forma para outra, mas a quantidade total de energia do universo, isto é, sistema mais meio externo, conserva-se. A ENERGIA INTERNA DE UM SISTEMA ISOLADO É CONSTANTE Variação na energia interna do sistema Calor trocado pelo sistema Trabalho realizado pelo sistema

10 1 2 I II III Função de estado: É aquela propriedade que em uma transformação que leva um sistema de (1) para (2) por vários caminhos depende apenas da condição final e inicial (U, P, V e T). O calor e o trabalho depende do caminho, mas a sua soma não depende. q I q II q III W I W II W III q I + W I = q II + W II = q III + W III Assim: Quando a transformação for cíclica U =0 ou seja U1 = U2 q = -W

11 TRABALHO DE UM GAS

12 W máximo = W reversível 1.O sistema realiza trabalho máximo quando a pressão for máxima; 2.A pressão externa nunca pode ser igual ou maior do que a interna, num trabalho de expansão; 3.O trabalho máximo é obtido quando a pressão externa é somente infinitesimalmente menor do que a pressão interna; 4.A pressão interna (do gás) num trabalho de expansão não é constante; 5.Um sistema que se mantém em equilíbrio mecânico com suas vizinhanças durante todo o estágio de expansão realiza o máximo valor de trabalho possível; 6.Em um estado de equilíbrio mecânico, mudanças infinitesimais na pressão resulta em mudanças na direção oposta (tambémn infinitesimal); 7.Uma mudança que pode ser revertida por uma mudança infinitesimal em uma variável é chamada reversível.

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14 Calor: -Calor fornecido ao sistema leva a um aumento da temperatura; -O calor pode ser medido através de um calorímentro. c p = capacidade calorífica a pressão constante c v = capacidade calorífica a volume constante JK -1 mol -1 E JK -1 g -1 calºC -1 mol -1 E calºC -1 g -1

15 Calor sensível: o calor causa uma variação da temperatura do sistema - variação da energia cinética ( H aq ). Calor latente: o calor não causa variação da temperatura do sistema - variação da energia potencial ( H tr ). tempo Temperatura H tr H aq

16 ENTALPIA

17 VARIAÇÃO DA ENTALPIA COM A TEMPERATURA

18 DIFERENÇAS ENTRE ENTALPIA E ENERGIA INTERNA: A diferença é apreciável quando ocorrer uma variação significatíva do volume do sistema. Em reações ou transições envolvendo fases condensadas (sólido, líquido ou soluções): H U Em transições isotérmicas: H U + RT n g Em processos de expansão e compressão do gás ideal: H U + nR T

19 Processo adiabático

20 APLICAÇÃO DA 1ª LEI TERMOQUÍMICA A maioria dos processos é conduzida a PRESSÃO CONSTANTE. A termoquímica irá tratar da variação de entalpia numa transição de fase ou em uma reação química. Uma fase é mais específica do que um estado: Ex.: o elemento carbono no estado sólido pode estar nas fases grafite, diamante ou fulereno. O enxofre S 8 : rômbico e momoclínico. O carbonato de cálcio (CaCO 3 ): calcita e aragonita TRANSIÇÃO DE FASE: conversão entre duas fases

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22 Estado padrão: a substância está pura a 1bar de pressão

23 VARIAÇÃO DA ENTALPIA COM A TEMPERATURA Lei de Kirchhoff

24 SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA A entropia do universo tende a aumentar. Trabalho e calor não possuem a mesma natureza. Para um gás ideal em um processo de expansão isotérmica temos:

25 Sentido espontâneo sistema desordenado 1.A natureza tende a se tornar desordenada. 2.A energia tende a se tornar desordenada. 1.A entropia é uma propriedade extensiva, S molar [JK -1 mol -1 ]. 2.A entropia é uma função de estado. 3.Ela é uma medida do estado atual do sitenma (como essa desordem foi causada não importa). A variação da entropia com o volume A variação da entropia com a temperatura

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