l1_qui117_2016

UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO
INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS E BIOLÓGICAS
DEPARTAMENTO DE QUÍMICA
QUI117 – FÍSICO-QUÍMICA (2016/2)
LISTA DE EXERCÍCIOS I – GASES, FASES CONDENSADAS E PRIMEIRO PRINCÍPIO DA
TERMODINÂMICA.
QUESTÃO 1 - Um gás ideal cuja massa é de 1,34g ocupa um volume de 2,0L na temperatura de
25oC e pressão de 1,0atm. Se a temperatura é acrescida de 435oC, qual será a pressão, se o volume
permanece o mesmo? Quantas moléculas deste gás estão presentes quando a pressão é de 76torr, o
volume é de 10,0mL e a temperatura é de 45oC? R.: 2,46atm; 2,31x1019 moléculas.
QUESTÃO 2 - Um bulbo de vidro vazio, onde se fez vácuo, pesa 37,936g. Quando cheio com ar
seco, a 720 mmHg e 25ºC, seu peso é igual a 38,074g. Contudo, quando cheio com uma mistura de
metano e etano, nas mesmas condições, pesa 38,035g. Considerando comportamento ideal dos gases,
calcule:
Dados: ρar, 25ºC = 1,185 g/dm³, MCH4 = 16,0g/mol; MC2H6 = 30,0g/mol.
a – o volume do bulbo;
? R.: 0,116L
b – as pressões parciais do metano e do etano. R pmetano = 0,54atm petano = 0,41atm
QUESTÃO 3 – Considere uma amostra de 20 L de ar úmido a 60C, sob pressão total de 1,0 atm, na
qual a pressão de vapor de água é 0,120 atm. Dado: composição molar do ar seco- x N2 = 0,78; x
O2 = 0,21 e x Ar = 0,01
a)Quais as frações molares de cada componente da amostra? R.: x N2 = 0,6864; x O2 = 0,1848; x Ar
= 0,0088 e x H2O= 0,120
b)Qual seria o volume da amostra a a 60C se a umidade realtiva for de 100% ? R. V = 12,2L
Dados umidade relativa(%) = 100 pH2O/ p0H2O ,onde pH2O =pressão parcial da água na amostra e
p0H2O = pressão de vapor da água, em equilíbrio, na temperatura em questão. A 60C p0H2O = 0,197
atm
c)Que fração de água condensará, se a pressão total da mistura for aumentada isotermicamente para
200 atm? R.: 0,995
QUESTÃO 4 – - Uma amostra de um gás tem o volume de 20,0dm3, a 0ºC e 1,0atm. O gráfico dos
dados experimentais do comportamento do volume do gás com a temperatura na escala Celsius, sob
pressão constante, é uma reta com o coeficiente angular igual a 0,0741dm3/ºC. Estime,
exclusivamente a partir desses dados e tomando como base a lei de Charles, o zero absoluto de
temperatura em graus Celsius. R.: - 270ºC
QUESTÃO 5 – Considere o vapor de enxofre com comportamento de gás ideal. A 500 C e 699 torr
a densidade do vapor de enxofre é igual a 3,71 g.L-1. Qual a fórmula molecular do enxofre nestas
condições? R.: S8
QUESTÃO 6 - Uma mistura de He(g) e Ne(g), pesando 0,148g, se encontra em um recipiente de
356cm3 a 20C e 748torr. Considerando comportamento ideal, determine a massa de He(g) na
mistura. Dados: MM He(g) = 4,0g/mol; MM Ne(g) = 20,2g/mol. R.: m He = 0,036g
QUESTÃO 7 - Em um frasco de 2dm3, onde se fez vácuo, são introduzidos, a 27ºC, 500cm3 de H2(g)
medidos a pressão de 400torr e 1000cm3 de N2(g) a 600torr. Calcule a pressão resultante,
considerando o comportamento ideal. R.: p = 400torr.
QUESTÃO 8 – Um gás a 350K e pressurizado a 12 atm possui um volume molar 12% maior que se
comportasse como um gás ideal. Calcule:
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a) o fator de compressibilidade; R.: Z = 1,12 b) o volume molar do gás; R.: Vmolar = 2,68L c) Quais
forças predominam nesse sistema, de repulsão ou atração entre as moléculas. Justifique. ; R.:
Repulsão pois Z>1.
QUESTÃO 9- Determine o fator de compressibilidade para um gás cuja equação de estado é:
p(V  nb)  nRT . Dado: V  20b . R.: Z =1,05
QUESTÃO 10 - A figura abaixo representa a variação do fator de compressibilidade (Z) para quatro
gases diferentes em função da pressão reduzida () em três temperaturas reduzidas (). O ponto
crítico para o eteno é: Tc = 283,10K e pc = 50,5atm. Sobe qual das duas condições: (i) 283,10K e
25,25atm, ou (ii) 339,72K e 101,00atm, o comportamento do eteno aproxima-se mais do
comportamento ideal? Você poderia prever a resposta do item anterior sem conhecer o gráfico da
figura? Por quê? Considere agora as seguintes condições: (iii) 339,72K e 50,5atm; (iv) 283,10K e
50,5atm. Determine, para cada umas delas, o valor de Vreal. Agora calcule, em cada caso, o valor da
pressão que o gás exerceria se ocupasse este volume nas condições acima, na hipótese da equação de
van der Waals descrever o comportamento do eteno. Dados para o eteno: a = 4,471L2.atm.mol-2, b =
0,05714L.mol-1.
R.: A condição (i), pois Z é mais próximo de 1; Sim; pois na pressão elevada, o volume é menor, as
moléculas estão mais próximas e há forte interação intermolecular o que aumenta o desvio do
comportamento ideal; (iii) 0,469L/mol, (iv) 0,115L/mol; (iii) 47,5atm, (iv) 63,1atm.
QUESTÃO 11 - Um bloco de cobre ( massa = 1,0 kg), inicialmente a 250C, recebe 404,125 kJ de
calor sob pressão constante de 1 atm. O volume do bloco varia de 1,5 % e sua temperatura final é de
3250C. Dados: densidade do Cu a 250C = 8,96 g.cm-3;
PA Cu = 63,5. Calcule:
a-coeficiente de expansão térmica do cobre. b-capacidade calorífica molar do cobre à pressão
constante.
R.:  = 4,96 x 10-5K-1 Cp,m = 85,54 J.K-1.mol-1
QUESTÃO 12 - Dê a expressão do coeficiente de compressibilidade para um gás ideal e calcule o
seu valor a 2 atm. R.:   1 ;  = 0,5 atm-1.
p
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QUESTÃO 13 - Determine a pressão e a temperatura em que 1,0 mol de CO2(g) estará em estados
correspondentes aos de 1,0 mol de N2(g), a 25ºC e 1,0atm. Dados: CO2(g) (pc = 72,85atm, Tc =
304,2K); N2(g) (pc = 33,54atm, Tc = 126,3K). R.: 2,2atm; 718K.
QUESTÃO 14 - Um mol de um gás de van der Waals, a 27ºC, expande-se isotermicamente e
reversivelmente de 10L até 30L. Calcule o trabalho envolvido. Dados: p  RT  a2 , a =
V b
V
5,49L2atm/mol2 e b = 0,064L/mol. R.: W = 26,9L.atm.
QUESTÃO 15 - Uma amostra de 2,0mols de um gás ideal, com CV,m = 1,5R, inicialmente a 1,0atm e
300K é aquecida, reversivelmente, até 400K a volume constante. Calcule a pfinal, Q, W, ΔU e ΔH. R.:
pfinal = 1,33atm; Q = ΔU = 2,49kJ; W = 0; ΔH = 4,157kJ.
QUESTÃO 16 - Calcule ΔU e ΔH para cada uma das seguintes mudanças de estado de 2,5 mols de
um gás ideal com CV,m = 1,5R: a) (1,5atm, 400K)  (3,0atm, 600K); b) (2,5atm, 20,0L)  (2,0atm,
30,0L); c) (28,5L, 400K)  (42,0L, 400K). R.: a) ΔU = 6240J e ΔH = 10400J; b) ΔU = 1520J e ΔH
= 2450J; c) ΔU = 0 e ΔH = 0.
QUESTÃO 17 - Para a seguinte transformação: (1000L, 27oC)  (V2, 67oC) de 50 mols de um gás
de Berthelot, determine V2 de modo que o processo seja isoenergético. Dados para o gás de
Berthelot: p  RT  a 2 ; CV = 2,0R; a = 0,417Pa.m6.mol-2; b = 37,1x10-6.m3.mol-1. R. V2 = 0,196L.
V b
TV
QUESTÃO 18 - Dois mol de gás ideal diatômico sofre uma expansão adiabática reversível. Calcule
W e H para esta transformação sendo T1 = 270C, p1 = 1 atm e p2 = 0,5atm. W = 2,24kJ; ΔH =
3,14kJ.
QUESTÃO 19- Seja o aquecimento de 500g de água de 25ºC para 50ºC, sob pressão constante de
1atm. Determine o trabalho e a variação de entalpia no processo. Dados para água: C p,m = 75,30 J.K1
.mol-1; α = 2,07 x 10-4.K-1; ρ = 0,997g.cm-3. R.: W = 0,263J; ΔH = 52,29kJ.
QUESTÃO 20 - A capacidade calorífica do óxido de chumbo sólido, PbO(s), é dada por: Cp = 44,35
+ 1,67 x 10-3T. Calcule a variação de entalpia do PbO(s), se o mesmo for resfriado, sob pressão
constante, de 500K para 300K. R.: ΔH = - 9,003kJ/mol.
QUESTÃO 21 - A 300K, o fator de compressibilidade de um gás é dado por: Z = 1 – 3,96x10-8p +
1,45x10-15p2, com p em Pa. Calcular o trabalho realizado pelo gás em uma expansão isotérmica
reversível, em que a pressão do gás passa de 50,0 para 30,0bar. R.: W = 1,24kJ/mol.
QUESTÃO 22 O coeficiente de Joule-Thomson (JT) para o nitrogênio é igual a 0,27 K.atm-1. O que
ocorre com a temperatura do nitrogênio, inicialmente a 27oC, ao ser submetido a uma expansão de
Joule-Thomson? Justifique. Calcule o valor de H, para 2,0 mols de nitrogênio, Cp,m = 4R, na
seguinte transformação: (1bar, 210C)  (200bar, 210C). R.: Reduz, ΔH = - 3,5kJ.
QUESTÃO 23 - O que ocorre com a temperatura de um gás ideal nas seguintes transformações: a)
expansão adiabática; b) expansão de Joule-Thomson. O coeficiente de Joule-Thomson (μJT) para o
hélio é igual a - 0,060K.bar-1, a 298K. O que ocorre com a temperatura do hélio, inicialmente a 25oC,
ao ser submetido a uma expansão de Joule-Thomson? Justifique as respostas. R.: a) diminui; b)
permanece constante; aumenta.
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QUESTÃO 24- volume de um líquido varia com a temperatura na escala Kelvin de acordo com a
seguinte expressão: V = V’(0,77 + 3,7x10-4T + 1,52 x 10-6T2), onde V’ é o volume a 298K.
a-Calcule seu coeficiente de expansão térmica, α, a 620K. R.  = 1,43K 1
b-Calcule o trabalho de expansão (no SI), sob pressão constante de 1,0 atm, quando a temperatura de
1,0 Kg do líquido varia entre 298K e 620K. Dado  líquido, 298K = 1,20 g.cm 3 W = 43,3 J
QUESTÃO 25 - Um sistema consistindo de 2,0 mols de Ar(g) expande-se adiabaticamente e
irreversivelmente de 5,0L e 373,15K para 20,0L, contra uma pressão constante de 1,0atm. Qual a
temperatura final do gás. Assuma comportamento ideal. Dado: CV,m = 1,5R. R.: Tf = 251,3K.
QUESTÃO 26 - Uma amostra de 1 mol de um gás ideal sofre uma expansão isotérmica, a 0°C, de
22,4dm3 até 44,8dm3. Calcule o trabalho envolvido em cada processo: a) expansão reversível; b)
expansão contra uma pressão externa constante igual a pressão final do gás e c) expansão livre. R.: a)
W = 1,57kJ; b) W = 1,13kJ; c) W = 0.
QUESTÃO 27- Quando 140g de nitrogênio, a 25C, são mantidos por meio de um pistão sob 30atm
de pressão, a pressão cai subitamente a 10atm e o gás expande-se adiabaticamente. Calcular a
temperatura final do gás. Quais os valores de U e H para o processo. Considere o gás com
comportamento ideal. R.: T2 = 241,2K; ΔU = - 2,36kJ; ΔH = -3,30kJ/mol.
QUESTÃO 28- Em um processo industrial, 96 kg de gás metano é aquecido de 300K a 500K, num
vaso de 1 m³, inicialmente a 116 atm. Considerando comportamento de um gás de van der Waals,
determine:
Dados: MCH4 = 16,04 g/mol; a = 2,283 L²atm.mol-²; b = 0,04278 L.mol-1
a –a pressão final do processo; R.: p = 248,1atm.
b – o calor transferido ao sistema, uma vez que a capacidade calorífica molar do metano é
dada por
= 1,702 + 9,081x10-3T – 2,164x10-6T².
Q = 4572,3kJ;
QUESTÃO 29 - A capacidade calorífica específica média do Fe(s), sob pressão constante, é
0,12cal/g.ºC. Quais as variações de energia interna e entalpia quando se resfria 150g de Fe (s) de 102
para 23ºC, sob 1,0atm de pressão. Admita que o volume do Fe(s) permaneça constante. R.: ΔU = ΔH
= - 1,42kcal.
QUESTÃO 30- Sabendo que o coeficiente Joule-Thomson de um gás de van der Waals é dado por
JT = [(2a/RT) – b]/Cp, calcule a variação de entalpia para compressão isotérmica a 300K de 1 mol
do gás desde 1atm até 500atm. Dados: a = 1,34L2atm/mol2 e b = 0,039L/mol. R.: ΔH = 846,9cal.
QUESTÃO 31 - Um mol de um gás ideal, a 27ºC, expande-se isotermicamente contra uma pressão
externa constante de 1,0atm, até duplicar seu volume inicial. Calcule o calor necessário para manter a
temperatura constante do gás. R.: Q = 1,25kJ.
QUESTÃO 32- Um litro de um gás ideal, cujo  = 1,3, está a 273K e 1atm. O gás é comprimido
adiabaticamente até a metade de seu volume inicial. Calcule suas temperatura e pressão finais. Se o
gás for então resfriado até 273K, sob pressão constante, determine seu volume. R.: Tf = 336K; pf =
2,46atm; V = 0,4L.
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QUESTÃO 33 – a-Dê o significado físico de uma substância apresentar Cp  10 JK 1mol 1
b-Qual a condição necessária para que a variação de energia, envolvendo um gás de van der Waals e
um gás ideal, em um dado intervalo de temperatura e transformação isocórica, seja a mesma?
c-O coeficiente de Joule-thomson para o oxigênio é JT = 0,31 K atm-1. O que ocorre, com a
temperatura do oxigênio que vaza de um cilindro com oxigênio comprimido? justifique.
QUESTÃO 34 - Um Kg de água, sob pressão constante de 1,0 atm, é submetido a seguinte
mudança de estado. (250C, V1) → (850C, V2)
Dados para a água  = 2,07 x 10-4 K-1; k = 2,21 x 10-6 atm-1;  = 1,0 g/cm3 a 250C;
Cpmolar = 75,312 J.K-1.mol-1 e MM = 18,0 g/mol .
a-Determine V2. R.: V2= 1012,5cm3
b-Determine a variação de energia ( no SI). R.: ΔU = 4,52kJ
QUESTÃO 35 - Uma amostra consistindo em 2,0 mol de CO2 ocupa um volume fixo de 15,0 dm3 a
300 K. Quando 2,35 kJ de calor são injetados na amostra, sua temperatura aumenta até 341 K.
Considere que CO2 obedeça a equação de van der Waals. Calcule a variação de entalpia(no SI).
Dados para o CO2
a= 3,610 atm.dm3. mol-1; b = 4,29 x10-2.dm3.mol-1 R.: ΔH = 2,36kJ
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