Escola de Ciências Exatas e da Computação

[pic 1]

Pontifícia Universidade Católica de Goiás

Escola de Ciências Exatas e da Computação

Professor: Danns

Termodinâmica Química (MAF 1930)

Aluno:

Joelson José

Trabalho, Calor e Energia

Goiânia, Setembro de 2019.

Resumo

Em termodinâmica, o trabalho tem um significado bem específico: é a energia necessária para mover um objeto contra uma força. O objetivo do experimento é observar uma relação entre trabalho, calor e energia. A liberação de energia pode ser usada para promover calor, produzindo então, um trabalho. No procedimento I, quando o alumínio reage com o ácido clorídrico, foi possível visualizar a expansão do gás hidrogênio (H2). Obteve-se um valor teórico e experimental para essa reação. Para o procedimento II, foi explicado a variação de temperatura e sua classificação como endotérmica ou exotérmica.

Objetivo

Verificar as relações entre o trabalho, calor e a energia, produzidos por uma reação química e verificar se uma reação é endotérmica ou exotérmica.

Introdução

A entidade física fundamental em termodinâmica é o trabalho. Há trabalho quando um corpo é deslocado contra uma força que se opõe ao movimento. Um exemplo de trabalho é a expansão de um gás que empurra um pistão e provoca a elevação de um peso. Uma reação química que produz gases pode realizar este tipo de trabalho[1].

Quando 2 mol de alumínio reagem com ácido clorídrico num recipiente fechado, 3 mol de H2 são desprendidos. Se o gás expande contra uma pressão extensa constante, o trabalho realizado pelo gás pode ser calculado pela equação[1] (Eq. 1):

w = - nRT         (Eq. 1)

onde ‘n’ é o número de moles do H2 desprendidos na reação (que é igual a 3/2 do número de moles de alumínio), ‘R’ é a constante universal dos gases e ‘T’ a temperatura ambiente. Por outro lado, o trabalho devido a uma expansão de um gás contra uma pressão constante. Esta pressão pode ser calculada através do produto da pressão pela variação do volume (Eq.2). Assim temos

w = -Pext x ∆V         (Eq. 2)

onde, Pext é a pressão externa, 1,00 atm, e ∆V é a variação do volume[1].

Por isso define-se trabalho em termodinâmica como energia trocada entre o sistema e o meio externo, como consequência exclusiva de uma força que atua entre esse sistema e o meio externo [2].

Considerando um processo reversível que o trabalho de expansão pode ser expresso em função da pressão p do sistema (que é uma variável termodinâmica) em vez da pressão p’ do meio externo (Eq. 3). Pela mesma razão, a soma desse trabalho no meio externo numa transformação isobárica onde [pic 2] [2].

[pic 3]         (Eq. 3)

Variando de um volume inicial V1 para um volume final V2:

[pic 4]          (Eq. 2)

Um processo que cede energia na forma de calor é dito exotérmico. As reações de combustão, por exemplo, são exotérmicas, já um processo que absorve calor é dito endotérmico[3]. Por exemplo, as reações de vaporização da água são endotérmicas. Quando um processo endotérmico ocorre num sistema com fronteiras diatérmicas, há entrada de energia no sistema, na forma de calor e a sua temperatura permanece inalterada. Um processo exotérmico, no mesmo sistema, provoca liberação de calor para as vizinhanças e a sua temperatura permanece inalterada[1].

Materiais e métodos

Materiais Experimentais

• 3 béqueres de 100 mL

• 1 termômetro

• 1 kitassato

• 1 seringa de vidro de 50 mL

• 1 mangueira de conexão

• 1 rolha de borracha para a vedação do kitassato

• 1 quantia de papel alumínio

• 1 chapa de aço com agitador magnético

• 1 barra magnética (tamanho médio)

• 2 garrafas térmicas

• HCl diluído (6,0 molar)

• Água destilada

Procedimento experimental

I - Trabalho da expansão de um gás

Foram pesadas respectivamente 0,0102g; 0,0152g e 0,0209g de alumínio por cada grupo, sendo a última massa referente ao nosso grupo, e foi medido 50 mL de ácido clorídrico. No kitassato adicionou-se a barra magnética e o ácido clorídrico. Colocou-se o Kitassato na chapa magnética, conectado na seringa (previamente presa nas hastes metálicas) na saída lateral do kitassato posicionada na horizontal com o êmbolo na posição de leitura igual a zero mL. (Figura 1)

Figura 1: Sistema montado para análise do experimento.

[pic 5]

Rapidamente, adicionou-se o alumínio, previamente pesado, no kitassato com ácido clorídrico e o tampou com a rolha de borracha. O agitador magnético foi ligado. Esperou-se até que o alumínio fosse totalmente consumido para fazer a leitura da expansão do gás.

II - Reações exotérmicas e endotérmicas em fronteiras diatérmicas

Adicionou-se 50 mL de água destilada na garrafa térmica de 100 mL e mediu a temperatura da água. Foram adicionados 20 mL de ácido clorídrico diluído e medido a temperatura da solução.

III - Reações exotérmicas e endotérmicas em fronteiras diatérmicas

Adicionou-se 50 mL de água destilada no béquer de 100 mL e mediu a temperatura da água. Foram adicionados 20 mL de ácido clorídrico diluído e medido a temperatura da solução.

Resultados e discussões

1. Trabalho de expansão de um gás:

        Neste procedimento, a reação química (Eq.1) que produziu o gás, gerando o trabalho de expansão foi:

[pic 6]Eq. 1

A partir desta reação pode-se observar, primeiramente, que a quantidade de mols de H2 formados será 3/2 da quantidade de mols de Al colocados para reagir com o ácido clorídrico. Comprova-se isto facilmente utilizando a relação estequiométrica da equação balanceada. Assim sendo, tem-se:

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