Profª Joanna de Paoli

Termoquímica1ª LEI

“Águas passadas não movem moinho!”

Estuda as transformações de energia

Joanna de Paoli

Convite: Churrasco Termodinâmico

Joanna de Paoli

• Você gosta de churrasco? Como gosta dele preparado?• Qual a diferença de carne no ponto, bem passada ou

mal passada?• Por que costuma-se comer a salsicha antes da carne?• Para fazer um bife acebolado você coloca a carne e a

cebola ao mesmo tempo para assar ou fritar?• Em uma grelha os alimentos sempre são assados ou

podem também ser cozidos?

Questionamentos

Joanna de Paoli

• Preparar a carne numa grelha ou num espeto posicionados a uma distância de 15 centímetros da fonte de calor – a brasa quente –, numa temperatura superior a 400 °C.

• Não seguir tais regras é praticamente decretar que a peça não vai grelhar, mas assar.

• A carne assada – ou porque ficou a uma distância menor da fonte de calor, ou porque permaneceu mais tempo sobre ela – tem uma textura uniforme. Ela também é saborosa, mas não suculenta.

Como fazer o churrasco

Joanna de Paoli

Dicas para um bom churrasco

Superlotar a superfície da grelha: a sugestão é manter pelo menos 40% da grelha vazia. Quanto mais cheia, maior é o risco da formação de chamas altas causadas pelo gotejamento de gorduraEsturricar o alimento por fora e não cozinhá-lo por dentro: a pressa é inimiga do bom churrasco. É preciso preaquecer a grelha por 15 a 20 minutos antes de colocar as carnes. Elas devem começar a ser grelhadas na parte mais quente e depois nas brasas menos intensasColocar no mesmo espeto alimentos de tamanho diferente: uma peça de cada tamanho significa que o tempo de cozimento varia para cada um deles, o que não é bom. Convém padronizar os pedaços e deixar um espaço livre entre eles, para que cozinhem de maneira uniformeRepor o carvão com o alimento na grelha: é preciso pôr o carvão novo ao lado da brasa, e não sobre ela, para evitar que a carne seja atingida pela fuligem e pela fumaça

Joanna de Paoli

Conceitos Básicos

• Sistema: É a porção do universo a qual queremos estudar.Aberto: pode trocar matéria e energia.Fechado: pode trocar apenas energia.Isolado: não pode trocar nada.

Preparar um churrasco é qual tipo de Sistema?

•Fronteira: É a porção que separa o sistema do resto do universo.

•Vizinhanças: É a porção do universo que fica além da Fronteira.

Relembrando

Joanna de Paoli

Exemplo de Conceitos Básicos

• Estudar a água contida em um recipiente fechado qualquer.

SistemaFronteira

Vizinhanças

Vizinhanças

Vizinhanças

Vizinhanças

Joanna de Paoli

• (50 d.C) Herón – primeira notícia sobre uma máquina térmica.

• (Séc. XVI) Leonardo da Vinci – teorizou alguns aparelhos térmicos.

• (Séc. XIX) Cientistas – fascinados pela possibilidade de converter calor em movimento (máquinas térmicas).

• (1824) Carnot – calcula o rendimento das máquinas térmicas.O sucesso da Revolução Industrial da Grã-Bretanha

deve-se em parte ao uso das máquinas térmicas de vapor.

Contexto Histórico

Joanna de Paoli

• Experimento de James P. Joule.Energia

Joanna de Paoli

• Percebeu a conservação de energia.• Em geral estamos interessados nas variações de energia

do sistema e não na quantidade de energia absoluta do sistema.

• Trabalho também é uma forma de energia.• Podemos transformar: calor ↔ trabalho

Conclusões de Joule

Joanna de Paoli

Você conhece dispositivos que convertem energia?

Joanna de Paoli

• O trabalho que um sistema pode executar pode ser de diferentes formas:

Expansão ou compressão de um gás

Extensão: ao esticar um material elástico

Levantamento de um peso

Elétrico: ao variar a passagem de cargas pela aplicação de um potencial elétrico

Expansão de uma superfície: de um gás ao expandir dentro de um balão

Formas de Trabalho

Joanna de Paoli

• O trabalho necessário para mover um objeto até uma certa distância (l), contra uma força que se opõem é calculado segundo a expressão:

Trabalho = força . distânciaUnidade: Joule1J = 1Kg . m2 . s-2

Trabalho

Joanna de Paoli

Trabalho realizado pela vizinhança sobre o sistema: positivo ocorre aumento da energia do sistema e diminuição da

energia da vizinhança.

Trabalho realizado pelo sistema sobre a vizinhança: negativo ocorre diminuição da energia do sistema e aumento da

energia da vizinhança.

Trabalho

ω > 0 : energia transferida a um sistema como trabalho ω < 0 : energia deixa o sistema como trabalho

Joanna de Paoli

Energia• A definição clássica — energia é a capacidade de realizar trabalho — está relacionada ao uso das primeiras máquinas térmicas.

• Praticamente todas as formas de energia que conhecemos dependem, direta ou indiretamente, da energia luminosa que recebemos do sol. • A fotossíntese é o processo fundamental pelo qual as plantas usam energia solar para transformar gás carbônico e água em alimentos e combustíveis. • E o nosso corpo depende da energia dos alimentos para executar suas funções vitais.

Joanna de Paoli

• A energia cinética (Ec) é a energia associada ao movimento de um corpo ou sistema em relação a um ponto de referência.

• Ec aumenta com o aumento da velocidade e da massa.• Átomos e moléculas têm massa e estão em constante

movimento e possuem Energia Cinética.

Energia Cinética

JmNs

mkgSIvmEc .].[

2

12

22

Joanna de Paoli

• A energia potencial (Ep) é a energia associada à massa do sistema acima de um plano de referência quando a força de atração é devida ao campo gravitacional terrestre

Energia Potencial

JmNms

mkgSIhgmEP .]..[

2

Joanna de Paoli

Energia Cinética X Energia Potencial

Joanna de Paoli

Energia Interna (U)

“É a capacidade total de um sistema realizar trabalho.”

Exemplo: (U) Mola comprimida > (U) Mola descomprimida

• Não podemos medir a energia total de um sistema, o que podemos fazer é medir as variações de energia (ΔU).

• Quando realizamos trabalho sobre um sistema, sua energia interna aumenta.

ω > 0 = ↑ΔUω < 0 = ↓ΔU

Joanna de Paoli

Energia Interna (U)

Energia Interna = energia cinética + energia potencial das moléculas

• A energia interna está relacionada à estrutura molecular e ao grau de atividade molecular num sistema

• Ao realizar trabalho contra um gás em um recipiente isolado, as moléculas também passam a se mover mais rapidamente.

• O aumento da velocidade média corresponde a um aumento da energia cinética total das moléculas, e portanto, da energia interna.

Geralmente um sistema: ↑Temperatura = ↑Energia Interna- comparando o mesmo sistema a uma menor temperatura

Joanna de Paoli

• As moléculas de um gás podem se mover de várias maneiras diferentes e cada modo de movimento contribui para energia (cinética):

Energia translacional: Energia de um átomo ou molécula ao se deslocar no espaço.- máximo três graus de liberdade (moléculas diatômicas = apenas 2)

Energia rotacional: Energia originária do movimento de rotação de um átomo ou molécula.

Energia vibracional: Energia originaria do movimento de oscilação dos átomos uns em relação aos outros.

Energia Interna (U)

Joanna de Paoli

Energia Interna (U)• Mudanças na energia interna podem ocorrer porque a energia

potencial varia.Por causa das forças intermoleculares (líquidos e sólidos)

Exemplo: apertar uma bola de borracha.

• Não ocorre isso com os gases ideais.Para um gás ideal a energia interna independe do volume.Desconsidera-se as interações

É uma propriedade extensiva, depende somente da quantidade de substância.Exemplo: 50g de uma substância apresenta 2X a energia interna de 25g da mesma substância.

Joanna de Paoli

Calor

No churrasco você pode:• Levar um casaco para esquentar caso o tempo esfrie.• Colocar uma pedra de gelo para esfriar a bebida.• Ter muito calor humano.

Concepções equivocadas:• O calor é uma substância.• Existem dois tipos de ‘calor’: o quente e o frio.• O calor é diretamente proporcional à temperatura.

Uma substância pode armazenar energia, mas não contém calor!Assim como um corpo não é possuidor de trabalho!

Joanna de Paoli

• As paredes da garrafa térmica são isolados termicamente porque o vácuo entre elas não permite que a energia seja transferida de uma parede para outra por moléculas.

• Sua superfície prateada reduz a transferência de energia por radiação.

• Parede Adiabática – não troca calor,mas pode realizar trabalho.

Curiosidade

Joanna de Paoli

Calor e Temperatura“Calor (q) é energia em trânsito.”

• A energia pode fluir de um corpo para outro.• A temperatura é a propriedade que nos diz a direção do fluxo de energia. Exemplo: se a energia flui de um corpo A para um corpo B, podemos dizer que A está a uma temperatura maior do que B.

• Só há fluxo de energia e, portanto, calor, quando há diferença de temperatura.

↑Temperatura energia ↓ Temperatura = Equilíbrio

Joanna de Paoli

Calor

O Calor é transferido por três mecanismos:

Condução: transferência de energia entre as partículas de uma substância.

Convecção: transferência envolve os efeito combinado da condução e do movimento do fluido. Ex.: Contato entre uma superfície sólida aquecida e o ar externo circulando.

Radiação: transferência de energia devido à emissão de ondas eletromagnéticas (ou fótons).

Como a carne é assada na grelha?

Joanna de Paoli

• Você já parou para pensar que nosso corpo é uma Máquina Térmica?

• Os alimentos, como o churrasco, são utilizados em uma série de transformações bioquímicas que geram energia para nos manter aquecidos, possibilitar nossos movimentos e para muitas outras coisas.

• Você é capaz de imaginar por que se diz que um alimento possui calorias?

Calor

Joanna de Paoli

• Unidade: Joule (1 cal = 4,184 J)• 1 cal = energia necessária para elevar a temperatura de 1 g de

água em 1 °C.

Calor

Joanna de Paoli

Calor

Calor (q) transferido da vizinhança para o sistema (entra no sistema): positivo Ocorre aumento da energia do sistema

Calor (q) transferido do sistema para a vizinhança (sai do sistema): negativo Ocorre diminuição da energia do sistema

q > 0 : energia recebida pelo sistemaq < 0 : energia perdida pelo sistema

Joanna de Paoli

• Geralmente: ΔU = q + ω

Exemplo: Um motor de automóvel realiza 520 kJ de trabalho e perde 220 kJ de energia como calor. Qual a variação da energia interna do motor? Considere o motor como um sistema fechado.

Resolução:Dados:ω = -520 kJ (realiza) ΔU = q + ω q = -220 kJ (perde) ΔU = -220 kJ + (-520 kJ)ΔU = ? kJ ΔU = -740 kJ

Calor

Joanna de Paoli

1) Quando uma bateria elétrica aciona um tocador de CD, realiza 250 J de trabalho em um dado período. Enquanto a bateria está operando, 35 J de energia são perdidos como calor. Qual a variação de energia interna?

2) Uma amostra de gás é aquecida em um cilindro, usando 375 kJ de calor. Ao mesmo tempo, um pistão é comprime o gás, usando 645 kJ de trabalho. Qual a variação de energia interna?

3) Qual o trabalho para um sistema que absorve 150 kJ de calor durante um processo para o qual o aumento da energia interna é 125 kJ. O trabalho foi realizado pelo ou sobre o sistema?

Exercício

Joanna de Paoli

Calor

Joanna de Paoli

CO2 + H2O + energia C6H12O6 + O2

Caminho da reação

Reação endotérmica Reação exotérmicaC + O2 CO2 + energia

Calor e Gráfico de Reações

Joanna de Paoli

• Em seguida coloque a mão em uma mesa de madeira. Qual objeto lhe parecerá mais frio?

• Certamente, a maçaneta lhe parece mais fria que a madeira. Entretanto, como a sala está refrigerada, digamos a 20 °C, tanto a maçaneta como a mesa não deveriam estar também, ambos, a 20 °C? Como resolver essa contradição?

Medida de CalorFaça o seguinte experimento. Entre em um ambiente refrigerado e toque em uma maçaneta de metal.

Joanna de Paoli

• A sensação térmica avalia as trocas de calor e não a temperatura.

• As trocas de calor ocorrem quando objetos de temperaturas diferentes entram em contato térmico.

• Se um desses objetos é o seu corpo, a sensação de frio ocorre quando o calor flui do seu corpo para outros objetos.

• Então como funciona a sensação de quente?

Medida de Calor

Joanna de Paoli

• Com efeito, voltemos a nosso experimento. O seu corpo é mantido pelo seu metabolismo a uma temperatura de aproximadamente 36 °C. Então, ao tocar a maçaneta ou a madeira a troca de calor flui do seu corpo para esses objetos, por isso você os percebe frios.

• Comprova-se experimentalmente que os metais conduzem melhor o calor do que a madeira de modo que a troca de calor entre sua mão e a maçaneta é mais rápida e mais intensa do que com a madeira, por isso você sente maçaneta mais fria.

• O que você observará após um tempo segurando a maçaneta?

Medida de Calor

Joanna de Paoli

Condutividade Térmica

CONDUTIVIDADE TÉRMICA = ISOLANTE

RUIM

CONDUTIVIDADE TÉRMICA =BOM

ISOLANTE

Joanna de Paoli

• http://www.youtube.com/watch?v=NA5HUEZbfFM

Vídeo

Joanna de Paoli

Medida de Calor

• Para converter uma mudança de temperatura em energia precisamos conhecer a capacidade calorífica da substância.

• Capacidade calorífica (C) é definida como a razão entre o calor fornecido (q) e aumento de temperatura que ele provoca (∆T).

C = q / ∆T

↑Capacidade calorífica: ↑calor produz ↓aumento T ↓Capacidade calorífica: ↓calor produz ↑aumento T

Joanna de Paoli

Medida de Calor• A Capacidade Calorífica é uma propriedade extensiva: quanto

maior a amostra mais calor é necessário para aumentar sua temperatura.

Capacidade calorífica específica (Cs) com unidade de J.K-1.g-1.• Cs = C / m

Capacidade calorífica molar (Cm) com unidade de J.K-1.mol-1.• Cm = C / n

Joanna de Paoli

Medida de Calor

• Conhecendo:

A massa da substância ou número de mols da substância

Sua capacidade calorífica específica ou molar

Aumento da temperatura que ocorre em um processo• Determinamos a energia dada à substância na forma de calor segundo:

q = m Cs ∆T ou q = n Cm ∆T

Joanna de Paoli

Medida de Calor• A transferência de energia na forma de calor é medida com um

calorímetro• Calorímetro é um dispositivo no qual o calor transferido é

monitorado pela variação de temperatura que ele provoca, usando-se a expressão

Q = Ccal ∆T• Ccal é a capacidade calorífica do calorímetro, também chamado de

constante do calorímetro.• Um calorímetro pode ser simplesmente um vaso isolado

termicamente e imerso em banho de água, equipado com um termômetro.

• Uma versão mais sofisticada é o calorímetro de bomba onde a reação ocorre dentro do vaso de um metal resistente selado (bomba), que fica imerso em água, e o aumento de temperatura do conjunto é acompanhado.

Joanna de Paoli

Bomba Calorimétrica

Joanna de Paoli

Medida de Calor

• O Calor Latente (L) é a quantidade de calor que um corpo precisa receber ou ceder para mudar de estado físico.

• O calor latente (L) de uma substância: razão entre a quantidade de calor q que a substância precisa ganhar ou perder para mudar de fase e a massa m da amostra.

L = q / m

L > 0 : recebendo calorL < 0 : cedendo calor

Joanna de Paoli

Exemplo

Qual a quantidade de calor que deve ser cedida a 0,01 kg de gelo para que ele se torne totalmente líquido. Sabendo-se que o calor latente do gelo é de 80,0 cal/g.

Resolução:80,0 cal --------------------------1gX cal--------------------------100gX= 8000 cal = 8 kcal

Joanna de Paoli

ExemploUm calorímetro de volume constante foi calibrado com uma reação que libera 1,78 kJ de calor em 100 mL de uma solução colocada no calorímetro e a temperatura aumenta 3,650C. Em seguida, 50 mL de uma solução 0,2 M de HCl(aq) e 50 mL de uma solução 0,2 M de NaOH foram misturados no mesmo calorímetro e a temperatura subiu 1,26°C. Qual é a variação de energia interna da reação de neutralização?

Resolução:Calibração:

Ccal = qcal / ΔT = 1,78 kJ / 3,650C = 0,49 kJ.(0C)-1

Aplicação:qcal = CcalΔT = 0,49 kJ.(0C)-1 (1,260C) = 0,614 kJ

Joanna de Paoli

• Uma propriedade que só depende do estado atual do sistema e independe da maneira como esse estado foi atingido.Energia interna Temperatura Entalpia

• Não são funções de estado Trabalho Calor- Por isso que não existe variação de trabalho e calor.

Funções de Estado

Leis da Termodinâmica

Joanna de Paoli

Lei Zero da Termodinâmica • Um sistema está em um estado de equilíbrio termodinâmico

quando está, simultaneamente, em equilíbrio térmico, mecânico e químico.

• Lei zero da termodinâmica pode ser enunciada:

“Dois sistemas em equilíbrio térmico com um terceiro estão em equilíbrio térmico ente si.”

• Para saber se dois sistemas têm a mesma temperatura não é necessário colocá-los em contato térmico.

• Podemos verificar se ambos estão em equilíbrio térmico através de um terceiro corpo, chamado termômetro.

Joanna de Paoli

Então, como funciona um termômetro?

Lei Zero da Termodinâmica

Joanna de Paoli

Lei Zero da Termodinâmica

Joanna de Paoli

A 1ª Lei da Termodinâmica estabelece que:

• Embora a energia assuma diversas formas, a quantidade total de energia é constante. A energia não pode ser criada nem destruída em um processo, ela pode apenas mudar de forma.• Princípio de conservação de energia.• A variação de energia do sistema tem que ser igual à energia transferida através de suas fronteiras com a vizinhança.

• A energia pode ser transferida para o sistema ou de um sistema de três formas: calor, trabalho ou por transferência de massa

1ª Lei da Termodinâmica

Δ(Energia do sistema) + Δ(Energia do vizinhança) = 0

Joanna de Paoli

• Para um Sistema Isolado: não há transferência de calor, trabalho ou massa. A variação da energia do sistema é nula já que não há perda de energia para a vizinhança

ΔE sistema = 0

ΔE sistema = Einstante 2 – E instante 1 = 0

(U + Ec + Ep)instante2 - (U + Ec + Ep)instante1 = 0

ΔU + ΔEc + ΔEp = 0, considerando que ΔU >> ΔEc e ΔEp no sistema isolado

Então temos que ΔU = 0 para um sistema isoladoEntão a energia interna é cte para um sistema isolado

Sistema

1ª Lei da Termodinâmica

Joanna de Paoli

• Como na 1ª Lei para um sistema isolado verificamos que a energia interna é constante deduzimos que ela é uma função de estado, pois se permitimos que o sistema passe por uma série de mudanças mas fazemos com que ele volte ao estado inicial teremos ΔU = 0 não importando quais mudanças nós fizemos para retornar ao estado atual.

1ª Lei da Termodinâmica

Joanna de Paoli

• O trabalho realizado pelo sistema não é uma função de estado. Ele depende de como a mudança foi realizada entre um estado final e o inicial.

• Considere a expansão isotérmica de um gás até 100 cm3 de duas maneiras diferentes, mantendo-se o gás a temperatura constante de 25 °C: No primeiro experimento o gás poderia empurrar um pistão

e realizar uma certa quantidade de trabalho contra uma força externa. ω = Fext x deslocamento

No segundo o gás poderia empurrar um pistão no vácuo e não realizar trabalho (ω = 0), porque não existe uma força externa.

A mudança de estado do gás (expansão isotérmica) é a mesma mas a quantidade de trabalho realizado pelo sistema é diferente.

1ª Lei da Termodinâmica

Joanna de Paoli

• O Calor (q) também não é uma função de estado. A energia transferida a um sistema como calor depende de como a mudança é conduzida.

• Poderíamos aquecer uma quantidade de água de duas formas diferentes: Fornecendo energia na forma de calor (q), por exemplo,

através de um aquecedor elétrico. Fornecendo energia na forma de trabalho, através de um

agitador mecânico, até atingir a temperatura desejada da água. Neste caso a energia é fornecida na forma de trabalho (ω) sobre o sistema e não como calor. Neste caso q = 0.

A mudança de estado é a mesma mas a quantidade de calor fornecida ao sistema é diferente.

1ª Lei da Termodinâmica

Joanna de Paoli

• Para um Sistema Fechado: não há transferência de massa, mas pode haver transferência de trabalho ou calor. Ocorre variação da energia do sistema e da vizinhança, e massa do sistema permanece a mesma.

ΔE sistema = ΔU + ΔEc + ΔEp

ΔE vizinhança = q + ω

Aplicando a 1ª Lei: ΔE sistema = ΔE vizinhança

ΔU + ΔEc + ΔEp = q + ω considerando que ΔU >> ΔEc e ΔEp no sistema fechado

Então temos ΔU = q + ω para um Sistema FechadoObs.: calor que entra no sistema +, calor que sai -, e trabalho realizado sobre o sistema +, trabalho realizado pelo sistema -

1ª Lei da Termodinâmica

Joanna de Paoli

• Para um Sistema Aberto: pode haver transferência de calor, trabalho ou massa. Ocorre variação da energia do sistema e da vizinhança.

Balanço de energia no sistema :

E entra – E sai + E gerada sist. - E consumida sist. = ΔE sistema

m2, e2SistemaeSistema

mSistema

m1, e1

m3, e3

m4, e4

1ª Lei da Termodinâmica

Joanna de Paoli

Teste de Grills (10/06/2009)

Os grills elétricos prometem um alimento mais saudável – com menos gordura – sem o fumacê e a sujeira das frigideiras. A Pro Teste avaliou quatro modelos*, das marcas Mallory, Vicini, Britânia e Cadence. A constatação: nenhum dos equipamentos eliminou a gordura da carne nem a deixou mais sequinha.O perigo: no teste que simula as possíveis falhas durante o uso prolongado – de curto-circuito ao depósito de gordura ou água no termostato –, um dos grills, o da Vicini, pegou fogo. "A gordura vai se acumulando em torno do termostato, e essa é uma área de difícil limpeza", disse Dino Lameira, pesquisador da Pro Teste. A conclusão: os grills com tampa de vidro se assemelham mais a uma panela elétrica do que a uma chapa ou grelha. Isso porque, como os modelos testados não possuem um compartimento para o escoamento da gordura, o alimento fica cozinhando nela.

Joanna de Paoli

Carnes: Padrão Ouro

• Segundo nutricionistas: o maior cuidado que se deve ter em relação aos grelhados é impedir que a carne fique chamuscada. "Aquela crosta negra possui substâncias cancerígenas“.• A medicina recomenda que as carnes sejam consumidas ao ponto. A carne vermelha, em particular, é fonte riquíssima de ferro, zinco e vitaminas do complexo B, mas só quando servida ao ponto não perde as propriedades nutricionais. "Quanto maior o tempo de exposição ao calor, mais nutrientes são destruídos, em especial as vitaminas do complexo B“.

Joanna de Paoli

1) - 285 kJ2) 1020 kJ3) - 30 kJ / realizado trabalho pelo sistema

Gabarito

Joanna de Paoli

Referências Bibliográficas• Atkins, P., Jones, L. “Princípios De Química - Questionando A Vida

Moderna e o Meio Ambiente”, “Capítulo 7 - Termonidâmica: A Primeira Lei”, 5ª Ed., Editora Bookman, 2012.

• http://qnesc.sbq.org.br/online/qnesc07/aluno.pdf (acessado: 07/04/2013)

• http://revistaescola.abril.com.br/ensino-medio/churrasco-termodinamico-531339.shtml (acessado: 07/04/2013)

• http://veja.abril.com.br/100609/p_126.shtml (acessado: 07/04/2013)

• http://web.ccead.puc-rio.br/condigital/mvsl/Sala%20de%20Leitura/conteudos/A_primeira_lei_termodinamica.pdf (acessado: 09/04/2013)