Introdução à termodinâmica

Teoria Completa

Afinal, o que é termodinâmica?

E aí, tudo bom? 😊

A gente escuta bastante falar sobre termodinâmica e como ela é importante para a química, mas falta ainda uma definição, não é?

A termodinâmica é o estudo da energia: como ela pode ser transformada e transferida.

Para entendermos mais, vamos definir alguns conceitos fundamentais!

Sistemas e suas classificações

Vamos imaginar um bécher onde ocorre uma reação que queremos saber se é endotérmica ou exotérmica. Para isso, precisamos analisar a troca de energia da solução no bécher com o ambiente, certo?

O bécher, por ser nosso objeto de interesse de estudo, é chamado de sistema.

Já todo o arredor dele, o ambiente com o qual ele troca calor, é chamado vizinhança.

O conjunto sistema + vizinhança é muitas vezes chamado de universo.

Agora que sabemos que o sistema nada mais é que a parte específica do universo que desejamos estudar, podemos classificar esse sistema:

S i s t e m a a b e r t o   : e x i s t e   t r o c a   d e   m a t é r i a   e   d e   c a l o r   c o m   a   v i z i n h a n ç a . f e c h a d o : n ã o   h á   t r o c a   d e   m a t é r i a ,   m a s   h á   t r o c a   d e   c a l o r   c o m   a   v i z i n h a n ç a i s o l a d o : n ã o   h á   t r o c a   n e m   d e   c a l o r ,   n e m   d e   m a t é r i a   c o m   a   v i z i n h a n ç a . .

Aplicando no nosso exemplo do bécher: o bécher como sistema aberto seria ele em cima da bancada do laboratório, com a solução evaporando e a temperatura se igualando à temperatura externa.

Já o sistema fechado aconteceria se vedássemos o bécher, e impedíssemos que a solução evaporasse. Para que o nosso bécher fosse um sistema isolado, precisaríamos vedá-lo e colocá-lo em um recipiente que evita a troca de calor, como uma garrafa térmica, por exemplo.

Obs: Fronteira adiabática, ou parede adiabática significa só que é uma fronteira que impede o calor de passar!

Transferência de energia: calor (q) e trabalho (w).

Calor é a energia transferida quando há uma diferença de temperatura entre dois corpos. A energia flui sempre do corpo mais quente para o mais frio, no intuito de diminuir ou acabar com esse gradiente de temperatura!

Já o trabalho é um pouco mais complicado...

A definição de trabalho na física é a energia usada para deslocar um corpo contra uma força, não é? Na termodinâmica não é diferente!

Vamos pensar em um gás quente dentro de um recipiente, com um êmbolo em cima dele. Esse gás tem uma certa energia, e, ao se expandir e resfriar, ele empurra esse êmbolo móvel para cima.

A energia necessária para empurrar esse pistão para cima é o trabalho!

Quando o gás se expande, então, ele aplica uma força contrária à força do pistão, para deslocá-lo, e assim realiza trabalho.

Já a energia é justamente a medida de quanto trabalho esse gás pode realizar, ou seja, o quanto ele pode empurrar o pistão para cima.

De uma maneira mais geral, energia é a medida da capacidade de um corpo de transferir calor ou realizar trabalho.

Um gás quente e comprimido tem mais capacidade de se expandir e realizar trabalho (levantando o êmbolo) do que um gás que já se expandiu e resfriou. Por isso o gás quente e comprimido tem mais energia do que o mesmo gás expandido e resfriado.

Energia interna

A energia interna de um sistema é a energia total desse sistema. É beem complicado de calcular e o que mais nos interessa é como essa energia varia, na verdade!

Por exemplo: um gás que realiza 20J de trabalho diminuiu sua capacidade de realizar trabalho em 20J, ou seja, diminuiu sua energia interna em 20J.

Representamos, então, que ele obteve um Δ U = - 20 J .

Por outro lado, se comprimimos esse gás, realizamos trabalho contra o sistema, e aumentamos sua capacidade de se expandir (e realizar trabalho ele mesmo). Assim, sua energia interna aumenta, e o Δ U > 0 .

Com o calor não é muito diferente! Se o calor foi dado ao sistema, houve um aumento da sua capacidade de transferir calor e sua energia interna aumenta. Mas se o sistema perde calor, sua energia interna diminui.

Se liga nessa tabelinha aqui e guarda ela no seu coração:

Capacidade calorífica

O calor é a energia consequente de uma diferença de temperatura, né?

A capacidade calorífica de um corpo serve justamente para quantificar como esse calor fornecido/recebido altera a temperatura!

c a p a c i d a d e   c a l o r í f i c a = c a l o r   f o r n e c i d o a u m e n t o   d e   t e m p e r a t u r a

C = q Δ T

Ou seja, se um corpo tem uma alta capacidade calorífica, isso quer dizer que você pode fornecer bastante calor que a temperatura vai mudar pouco (já que C e Δ T são inversamente proporcionais).

Já um corpo com uma baixa capacidade calorífica vai aumentar muiiito de temperatura com pouco calor fornecido.

Como a capacidade calorífica depende da massa do corpo (ex: um copo de água precisa de menos calor fornecido para aumentar 1 o C do que uma piscina inteira), podemos definir 2 capacidades caloríficas para facilitar nossos cálculos:

C a p a c i d a d e   c a l o r í f i c a   m o l a r = C n

C a p a c i d a d e   c a l o r í f i c a   e s p e c í f i c a   o u   c a l o r   e s p e c í f i c o = C m a s s a

Usando o calor específico de uma substância, podemos calcular o calor fornecido/recebido através da equação:

q = m c e s p e c í f i c o Δ T

Obs: Você vai ouvir muiiito falar sobre calorímetros nos exercícios!

Sem desespero, calorímetros são dispositivos que servem para quantificar o calor trocado e a variação de energia. Eles também usam a equação q = C c a l o r í m e t r o Δ T , mas nesse caso o C c a l o r í m e t r o   é a capacidade calorífica do próprio calorímetro.

Obs: As unidades são beeem importantes pra você diferenciar o que é o que no rolê!

C a p a c i d a d e   c a l o r í f i c a = c a l C o   o u J C o

C a l o r   e s p e c í f i c o = c a l g . o C o u J g . o C

C a p a c i d a d e   c a l o r í f i c a   m o l a r = c a l m o l . o C   o u J m o l . o C

Tem váaaarias situações que a gente usa a capacidade calorífica, então não deixe de fazer os exercícios! Vamos praticar? 😊

Expandir

Exercício Resolvido #1

Peter Atkins & Loretta Jones. Princípios da Química, 5ª ed. Porto Alegre: Bookman, 2012, pp280-Exercício 7.1

Identifique os seguintes sistemas como aberto, fechados ou isolados:

a) café em uma garrafa térmica de ótima qualidade;

b) liquido refrigerante na serpentina de uma geladeira;

c) um calorímetro de bomba no qual benzeno é queimado;

d) gasolina queimando em um motor de automóvel;

e) mercúrio em um termômetro;

f) planta viva.

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Passo 1

Para resolver esse problema, precisamos lembrar a definição de cada tipo de sistema!

  • Sistema aberto: há transferência de matéria e de calor.
  • Sistema fechado: há transferência apenas de calor.
  • Sistema isolado: não há tranferência nem de calor nem de matéria!

Agora vamos analisar as letras:

a) esse sistema café + garrafa térmica é um sistema isolado, pois a tampa evita que o café evapore e, portanto, evita a troca de matéria. Além disso, as paredes da garrafa térmica são feitas para imitar uma parede adiabática, ou seja, que não permite a troca de calor!

O esquema é assim:

Passo 2

b) Na serpentina da geladeira a ideia é justamente trocar calor! Mas a troca de matéria não acontece, então é um sistema fechado.

Passo 3

c) O calorímetro + benzeno queimando é um sistema isolado! Isso porque a ideia de fazer uma combustão no calorímetro é justamente conseguir controlar a quantidade de calor trocada. E esse calor só é trocado entre o calorímetro e o benzeno, e não com as vizinhanças.

Passo 4

d) Esse sistema é aberto! É um pouco intuitivo, já que sabemos que a queima de combustíveis libera C O 2 pra atmosfera (ou seja, há troca de matéria). Além disso, é dessa queima que sai o calor necessário pro motor funcionar, então também há troca de calor.

Passo 5

e) O mercúrio em um termômetro é um sistema fechado, já que não há troca de matéria mas há troca de calor: a gente passa o calor pro mercúrio, que se expande de acordo com nossa temperatura corporal!

Passo 6

f) Um sistema aberto, já que a planta troca tanto matéria quanto calor com o ambiente o tempo todo!

Resposta

a) isolado

b) fechado

c) isolado

d) aberto

e) fechado

f) aberto

Exercício Resolvido #2

Peter Atkins & Loretta Jones. Princípios da Química, 5ª ed. Porto Alegre: Bookman, 2012, pp 281-Exercício 7.19

Uma peça de cobre de massa 20 g, em 100 o C , foi colocada em um recipiente isolado de capacidade calorífica desprezível, que continha 50,7 g de água em 22 o C . Calcule a temperatura final da água. Suponha que não houve perda de energia para a vizinhança.

Dados:

c e s p e f í c o d o   c o b r e = 0,091 c a l g . o C

c e s p e c í f i c o d a   á g u a = 1 c a l g . o C

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Passo 1

Vamos lembrar a fórmula do calor recebido/fornecido por uma substância:

q = m . c . Δ T = m . c . ( T f i n a l - T i n i c i a l )

Nesse caso entre a água e o objeto de cobre, temos que todo o calor perdido pelo cobre será recebido pela água, já que o enunciado diz que não houve perda de energia para a vizinhança.

- q c o b r e = q á g u a

Vamos usar o calor perdido como negativo, valeu?

Além disso, temos a temperatura inicial tanto pro cobre quanto pra água. Mas não temos a temperatura final, que é exatamente o que queremos descobrir. A única coisa que sabemos, é que essa temperatura final será a mesma, tanto para o cobre quanto para a água.

Bora parar de papo e calcular isso aí?

Passo 2

Sabemos que:

- q c o b r e = q á g u a

Logo:

- m c o b r e . c c o b r e . Δ T c o b r e = m á g u a . c á g u a . Δ T á g u a

Substituindo o que temos:

- 20   .   0,091   . T f - 100 = 50,7   .   1   .   ( T f - 22 )

Multiplicando os termos:

- 1,82 . T f + 182 = 50,7 . T f - 1115,4

Isolando os termos com T f :

- 1,82 . T f - 50,7 . T f = - 182 - 1115,4

- 52,52 . T f = - 1297,4

T f = 1297,4 52,52 = 24,7 ° C

Prontinho! A temperatura final do sistema é de 24,7°C.

Passo 3

Tá vendo que a temperatura da água variou bem pouquinho, enquanto a do dobre variou pra caramba? Isso é porque o calor específico da água é grande quando comparado ao do cobre. Então ela precisa de muuuita energia pra variar sua temperatura 😉

Mais uma coisa: antes de sair substituindo tudo na fórmula, dá uma olhada se as unidades estão corretas, ok? Aqui tudo estava ok, por isso já saímos calculando 😉

Resposta

24,7 °C.

Exercício Resolvido #3

Peter Atkins & Loretta Jones. Princípios da Química, 5ª ed. Porto Alegre: Bookman, 2012, pp282-Exercício 7.21

A entalpia de combustão do ácido benzoico, C 6 H 5 C O O H , que é muito usado para calibrar calorímetros, é - 3227 k J m o l . Quando 1,453 g de ácido benzoico foi queimado com um calorímetro, a temperatura aumentou 2,265 o C . Qual é a capacidade calorífica do calorímetro?

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Passo 1

Para resolvermos esse problema, precisamos lembrar das fórmulas que envolvem capacidade calorífica e temperatura:

  • q = C Δ T , onde C é a capacidade calorífica
  • q = m c Δ T , onde c é o calor específico

Além disso, precisamos fazer uma análise do que acontece no calorímetro. Uma combustão é uma reação exotérmica, isso é, que libera calor... Esse calor que a reação libera é absorvido pelo calorímetro, e através da diferença de temperatura do calorímetro conseguimos quantificar esse calor.

Ou seja,

q c a l o r í m e t r o = - q r e a ç ã o

Onde o q da reação ganhou aquele negativo porque a reação está “perdendo” calor, liberando energia, valeu?

Passo 2

Vamos começar calculando a energia liberada pela reação.

Quando reagimos um mol do ácido benzóico, o calor liberado é de 3227 kJ. Mas no enunciado, só queimamos 1,453 g, então temos que saber quantos mols estamos queimando.

Para isso, precisamos da massa molar dessa substância:

M M á c i d o = 7.12 + 6.1 + 2.16 = 122   g / m o l

Onde 12 é a massa do carbono, 1 é a massa do hidrogênio e 16 é a massa do oxigênio.

Então, em 1,453g, temos:

n = m M M = 1,453 122 = 0,012   m o l

E se 1 mol libera 3227 kJ de energia, 0,012 mol vai liberar:

- 3227 k J - 1   m o l

x - 0,012   m o l

x = - 38,724   k J

Show, já sabemos que:

q r e a ç ã o = - 38,724   k J

Passo 3

Agora vamos calcular o calor recebido pelo calorímetro.

Sabemos que:

q c a l o r í m e t r o = - q r e a ç ã o

q c a l o r í m e t r o = 38,724   k J

Mas também sabemos que:

q = C Δ T

Como o enunciado nos deu que a temperatura do calorímetro aumento em 2,265°C:

38,724 = C . 2,265

C = 17,097 k J ° C

Resposta

C c a l o r í m e t r o = 17,1   k J / o C  

Exercício Resolvido #4

BROWN, Theodore; LEMAY, H. Eugene; BURSTEN, Bruce E. Química: a ciência central. 9 ed.Prentice-Hall, 2005, Exercício 5.44

Dois objetos, A e B, são colocados em água fervente e deixados chegar à temperatura da água. Cada um é retirado e colocado em béqueres contendo 1000 g de água a 10 o C . O objeto A aumenta a temperatura da água em 3,50 o C ; o B aumenta a temperatura da água em 2,60 o C