Aula 6 Transferências de energia

Transcrição

1 Universidade Tecnológica Federal do Paraná Departamento Acadêmico de Química e Biologia Aula 6 Transferências de energia Dr. Tiago P. Camargo

2 governa a química e a vida. Atraves da termodinâmica podemos explicar como reações ocorrem e também predizer a quantidade de energia utilizada ou transerida em diferentes sistemas Ao estudo das transformações de energia em suas diferentes formas é chamado de termodinâmica. Na química a termodinâmica tem o objetivo de estudar a quantidade de energia envolvida em transformações físicas ou químicas

3 governa a química e a vida.

4 Sistemas, Estados e Energia Dois conceitos importantes em termodinâmica são o trabalho e calor. Carnot calor como marterial fluído calórico Joule demonstrou que calor e trabalho são 2 formas de energia Formas de energia: Potencial, cinética, solar, eletricidade, química, etc...

5 Sistemas, Estados e Energia Na termodinâmica estudamos a transformação de energia em suas diferentes formas ou a transferência de um lugar para outro. Sistema região de interesse (frasco com gás, becker com ácido, etc..) nós denominamos sistema. Vizinhança Todo o resto A junção do sistema e das vizinhanças nós chamamos de universo. Temos três tipos de sistema: Aberto, fechado e isolado

6 Transferência de energia entre sistemas Cada particula em um sistema possui energia potencial e cinética. A soma destas duas grandezas e a energia interna (E) Em uma reação química ocorre uma variação da energia interna. ΔE = Efinal Einicial = Eprod Ereag Mede-se a variação pois é impossível medir a energia interna absoluta de uma substância

7 Trabalho e Energia Como o universo é divido em sistema e vizinhanças, qualquer transferência de energia que ocorra no sistema deve ser acompanhada de uma madança igual e oposta nas vizinhanças.

8 Trabalho e Energia Energia - capacidade de um sistema realizar um trabalho. Para um sistema capaz de realizar uma grande quantidade de trabalho, é dito que ele possui muita energia. Energia pode aparece sob 2 formas: Calor e trabalho

9 Calor A energia interna de um sistema, sua capacidade de realizar trabalho pode ser modificada pela transferência de energia para as vizinhanças na forma de calor. Calor vs. Energia térmica A energia transferida de um sistema para outro é chamada de ``q``. Calor transferência de energia como resultado da mudança de temperatura Energia sempre é transferida de um sistema mais quente para um frio até que ambos cheguem a mesma temperatura Quando a energia é transferida como calor e não ocorre nenhum outro processo = ΔE = q

10 Trabalho Qualquer outro tipo de energia envolvem algum tipo de trabalho

11 Trabalho e Energia Primeira Lei da termodinâmica "Em um processo termodinâmico fechado, a variação da energia interna do sistema é igual à soma entre a alteração do calor acumulado em um sistema e d do trabalho realizado por ele". Lei da conservação de energia: A energia do universo permanece constante ΔE = q + w

12 Primeira Lei Energia transferida como calor apenas Quando um sistema transfere energia na forma de calor apenas, (w = 0) e a variação da energia inter é igual ao calor transferido. Calor deixando o sistema béquer com água quente ΔE = - q Calor entrando no sistema béquer com gelo ΔE = + q

13 Primeira Lei Energia transferida como calor apenas Quando um sistema transfere energia na forma de calor apenas, (w = 0) e a variação da energia inter é igual ao calor transferido.

14 Primeira Lei Energia transferida como trabalho Quando um sistema transfere energia executando apenas trabalho, (q = 0) e a variação da energia inter é igual ao calor transferido. Trabalho realizado pelo sistema: Reação entre Zn e HCl num sistema isolado acoplado a um êmbolo. ΔE = - w Trabalho realizado sobre o sistema: No mesmo recipiente contendo ZnCl2 e H2, onde uma força externa pressiona o êmbolo. ΔE = + w

15 Primeira Lei Energia transferida como trabalho Quando um sistema transfere energia executando apenas trabalho, (q = 0) e a variação da energia inter é igual ao calor transferido.

16 Primeira lei Até agora consideramos transferências de energia como trabalho ou calor separadamente Em muitos casos a mudança da energia interna (E ou U) está relacionada com calor e o trabalho. Ex. Automóveis (expansão e transferência de calor) De modo geral em um sistema fechado a variação da energia interna é dada pela soma entre trabalho e calor. ΔE = q + w Em um sistema isolado a energia interna não pode ser alterada sob nenhuma forma desta forma chegamos ao enunciado da primeira lei que diz ``A energia interna de um sistema isolado é constante

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18 Função de estado Propriedade que é dependente apenas do estado atual e não do caminho que foi que o levou entre diferentes estados.

19 Entalpia Em química a maioria das transformações ocorrem a pressão constante. A entalpia é uma variável termodinâmica que relaciona transferência de energia a pressão constante. Para determinarmos ΔE precisamos conhecer q e w. Os tipos de trabalho mais usados são químico, elétrico e de expansão.

20 Entalpia Para reações químicas ocorrendo a pressão constante não existe a possibilidade de ocorrer trabalho. Logo a entalpia é definida por H = E + pv Variações na entalpia são dadas pela soma da variação da energia interna e o produto entre pressão (const) e o volume. ΔH = ΔE + p ΔV Substituindo ΔE e o trabalho (w = - pdv), temos Como queríamos demonstrar

21 Entalpia Sabendo-se que H é uma função de estado, para determinarmos a variação de energia precisamos saber apenas os estados iniciais e finais. Uma vez que o estado final pode ser maior ou menor que o inicial, podemos indicar a variação por sinais positivos ou negativos Se H prod < H reag H (-) Se H prod > H reag H (+)

22 Entalpia Para a reação do metano queimando na presença de ar com liberação de calor: Sistema Exotermico

23 Entalpia Para o processo de liquefação da água: Sistema Endotermico

24 Medidas de Calor Para converter variações de energia ocorridas em reações químicas e que irão gerar mudança de temperatura precisamos conhecer a capacidade calorífica (C) capacidade calorífica calor var iação de t emperatura q C T Para processos de transferências de calor precisamos lembrar de 2 diferentes sistemas Sistema Adiabático - (do grego ``que não passa atraves ) Sistema Adiabático Sistema que não transfere energia sob a forma de calor. Sistema Adiabático ΔE = w Sistema Diatérmico permite a transferência de energia como calor.

25 Medidas de Calor Capacidade calorífica é uma propriedade extensiva quanto maior a massa maior será o calor necessário para aumentar a temperatura. Calor específico Cs Calor específico molar C m Cm C n Quando calculamos a capacidade calorífica e se sabemos a massa da substância, seu calor específico e a variação da temperatura, então a energia transferida sob a forma de calor é dada por De maneira semelhante para o calor específico molar U q

26 Exemplo 7.3 Calcular o calor necessário para o aumento da temperatura de (a) 100 g de água, (b) 2,0 mol de água em 20 oc acima da temperatura ambiente.

27 Calorímetro a pressão constante São sistemas/equipamentos utilizados para medir calor transferido em reações químicas ou mudança de estados físicos. Para transformações a P const. Podem ser usados frascos de isopor (café), assumindo que todo calor e cedido para água Pode ser usados em dois tipos de sistemas: (a) sólidos insolúveis em água ou (b) reações em meio aquoso. - q sólido = q água

28 Em um calorímetro (p const.) foram misturados 50 ml de NaOH 0,5 M (25oC) e 25 ml de HCl 0,5 M (25oC). Depois da agitação a temperatura final foi de 27,2 oc. Calcule o calor liberado pela reação. C = 4,184 J.g-1.K-1 d= 1,0 g/ml Q = m cs ΔT

29 Calorímetro a pressão constante São sistemas/equipamentos utilizados para medir calor transferido em reações químicas ou mudança de estados físicos. Pode ser usados em dois tipos de sistemas: (a) sólidos insolúveis em água ou (b) reações em meio aquoso.