Termodinâmica I - Introdução “Energia pode produzir Trabalho

Termodinâmica
I - Introdução
“Energia pode produzir Trabalho”
“Trabalho pode produzir Energia”
Energia e Trabalho são definidos pela Força vezes a distância
percorrida pela força:
E ou T = Força x Distância = ML2.T-2
A transformação da energia em trabalho e vice-versa, nas diferentes
formas (mecânica, térmica, elétrica etc.) segue as duas leis da
termodinâmica.
1- Sistema e Entorno
Sistema é uma porção definida do espaço (ex.: solução, molécula,
uma célula, o corpo humano, uma sala etc.).
Entorno é tudo que envolve o sistema (ambiente).
2- Energia Interna e Energia Externa
Os sistemas possuem dois tipos de energia:
a) Energia Interna:
E. Potencial (composição química).
E. Cinética (conteúdo de calor).
b) E. Externa:
E. Potencial (altura em relação ao campo G).
E. Cinética (velocidade de deslocamento do sistema)
A energia interna pode ser estudada separadamente da energia
externa.
Exemplos:
Bomba tem a mesma energia interna independente da altura ou se
for lançada.
Ingestão de banana por macaco em movimento (saltando, correndo,
parado). A energia interna da banana é a mesma.
3 – Propriedades Intensivas ou Extensivas da Energia Interna
Propriedades Intensivas
(independem da massa)
Pressão
Temperatura
Voltagem
Viscosidade
Propriedades Extensivas
(dependem da massa)
Volume
Quantidade de Matéria
Densidade
Quantidade de Energia
Exemplos:

A voltagem de duas pilhas de zinco de 1,5v é a mesma,
independente do tamanho delas; a quantidade de energia
(elétrica) é maior em uma pilha maior.

Um litro de água a 90ºC tem maior temperatura que uma
piscina de 100 mil litros a 25ºC, mas a quantidade de energia é
maior na piscina.
II - Termodinâmica – Conceitos e Fundamentos
As duas leis da termodinâmica disciplinam toda e qualquer mudança
que ocorre no Universo.
1) Primeira Lei da Termodinâmica
Diz respeito à conservação da energia:
“A energia não pode ser criada ou destruída, mas somente
convertida de uma forma em outra”.
ou
“Em todo processo natural, a energia do Universo se conserva”.
Exemplo: energia gravitacional da água se transforma em
diversos tipos.
Constatações da 1a. Lei:
i)Toda transformação de Energia se acompanha da produção de
Energia Térmica (calor).
Ex.: alguns seres vivos perdem calor para o ambiente e possuem a
temperatura corporal igual a ambiental; outros conservam calor e
regulam a sua temperatura.
ii) Qualquer forma de energia ou trabalho pode ser convertida
totalmente em calor.
No entanto, o calor não pode ser totalmente convertido em
energia ou trabalho, pois uma parte continua sempre como calor.
Esta constatação origina o conceito de Entropia.
Em todas as transformações, a soma total de Energia (Trabalho) é
constante.
iii) A Energia do Universo é constante.
2) Segunda Lei da Termodinâmica
Diz respeito à transferência de energia:
i)
Energia, espontaneamente, sempre se desloca dos
níveis mais altos para os mais baixos.
ou
ii) De onde tem mais, matéria ou energia, vai para onde
tem menos.
Exemplos: águas caindo da cachoeira, objetos largados ao
espaço caem, uma xícara de café quente se esfria, luz é mais
intensa perto da lâmpada, som é mais perto na caixa de som
etc.
iii)
A única forma de transmitir matéria ou energia de um
nível mais baixo para um outro mais alto é com a
realização de trabalho.
Exemplos: bomba hidráulica puxando água de um poço para
a caixa, uma pessoa levantando um objeto, uma geladeira
retirando calor do meio interno (mais frio) e o transferindo
para o meio externo (mais quente) com auxílio de um motor
(trabalho), célula expulsando Na+, realizando trabalho na
membrana.
iv)
todo sistema que realizou trabalho tem sua energia
diminuída.
Exemplos: água de uma represa que aciona uma turbina,
quando chega ao solo tem menos energia, as fogueiras se
extinguem, os animais envelhecem etc.
A cada transformação aparece uma energia degradada,
incapaz de realizar trabalho chamada de Entropia.
Existe uma tendência ao aumento geral e constante da
entropia, à medida que as transformações ocorrem. Logo:
v)
A Entropia do Universo tende ao máximo.
A Entalpia (H) é o calor de um sistema.
Esse calor modifica de acordo com as diferentes mudanças.
Exemplos: formação de compostos, dissolução de uma
substância etc.
“Existe uma entalpia para cada mudança que ocorre no
Universo.”
Quando a mudança libera calor: reação exotérmica e o
sistema fica com entalpia negativa (-H).
Quando a mudança absorve calor: reação endotérmica e o
sistema fica com entalpia positiva (H).
Quando retiramos calor de uma reação exotérmica,
resfriamos o sistema e a reação atinge o equilíbrio mais
rapidamente.
Quando adicionamos calor a uma reação endotérmica,
aquecemos o sistema e a reação atinge o equilíbrio mais
rapidamente.
Exemplo: a febre causa um aumento da entropia dos
processos biológicos de um paciente.
A Energia Livre (G) de um sistema após reações é:
Energia Livre = (Entalpia) – (Entropia)
Valor
Tipo de
Efeito
Probabilidade
relativo
reação
observado de ocorrência
G < 0 Exergônica
Libera
Provável,
energia
espontânea.
G > 0 Endergônica
Absorve
Improvável,
energia
provocada.
G = 0
Uma ou
Reação em equilíbrio dinâmico
outra
com Energia mínima e Entropia
máxima.
Toda reação que ocorre em dois sentidos é espontânea em
um sentido e provocada no outro:
(Sentido espontâneo  (-G)
A+BC+D
( Sentido provocado (+G)
H2O  H+ + OH H+ + OH -  H2O
G = - 19 Kcal (espontânea)
G = 19 Kcal (provocada)
A energia inicial que deflagra o processo de uma reação, mesmo
espontânea com -G chama-se energia de ativação (Ea). Assim,
uma reação pode ser descrita como:
A + B + Ea  (AB)*  C + D -G
(AB)*: complexo ativado que se desfaz nos produtos C + D e libera
-G.
As reações são mais rápidas quando a Ea é baixa.
Um catalisador positivo diminui a Ea, tornando a reação mais
rápida.
Um catalisador negativo aumenta a Ea, tornando a reação mais lenta.