Lista de exercício (termodinâmica)

1. 4,0 kJ de calor são fornecidos a uma quantidade de ar. Calcule a variação da energia interna para

o ar se: a) nenhum trabalho é realizado pelo ar; b) o ar se expande e realiza 0,5 kJ de trabalho; c)

1,0 kJ de trabalho é realizado na compressão do ar ao mesmo tempo que ele é aquecido.

R.: a) E = q + w w = 0 E = q = 4,0 kJ

b) E = q + w E = 4,0 kJ + (- 0,5 kJ) = 3,5 kJ

c) E = q + w E = 4,0 kJ + 1,0 kJ = 5,0 kJ

2. Os gases hidrogênio e oxigênio, em um cilindro, são queimados. Enquanto a reação ocorre, o

sistema perde 1.150 J de calor para a vizinhança. A reação faz também com que o êmbolo suba à

medida que os gases quentes se expandem. Os gases em expansão realizam 480 J de trabalho na

vizinhança à medida que pressiona a atmosfera. Qual é a mudança na energia interna do sistema?

R.: E = q + w

Sistema perde 1.150 J de calor q = 1.150 J

Sistema realiza 480 J de trabalho w = 480 J

E = ( 1.150 J) + (480 J) = 1.630 J

3. Calcule a variação da energia interna do sistema para um processo no qual ele absorve 140 J de

calor da vizinhança e realiza 85 J de trabalho na vizinhança.

R.: E = q + w

Sistema absorve 140 J de calor q = + 140 J

Sistema realiza 85 J de trabalho w = 85 J

E = +140 J + (85 J) = +55 J

4. Um certo sistema absorve 300 J de calor e tem 700 J de trabalho realizado nele. Qual é a valor da

energia interna do sistema? O sistema é endotérmico ou exotérmico?

R.: E = q + w

Sistema absorve 300 J de calor q = + 300 J

Sistema recebe 700 J de trabalho w = + 700 J

E = + 300 J + 700 J = + 1.000 J (endotérmico)

5. O valor da energia interna de certo sistema sofre uma mudança de -1.455 J. Durante a mudança, o

sistema absorve 812 J de calor. O sistema realizou trabalho ou o trabalho foi realizado pelo

vizinhança?

R.: E = q + w E = 1.455 J

Sistema absorve 812 J de calor q = + 812 J

1.455 J = +812 + w

w = 1.455 J 812 J = 2.2.67 J (o trabalho foi realizado pelo sistema sobre a vizinhança)

6. Um gás, possuindo um volume inicial de 50,0 m3 a uma pressão inicial de 200 kPa, é colocado

para expandir contra uma pressão constante de 100 kPa. Calcule o trabalho realizado pelo gás, em

kJ. Se o gás é ideal e a expansão isotérmica, qual o valor de q para o gás?

R.: Para cálculo do trabalho, precisamos da variação de volume, mas o problema só fornece o

volume inicial. Assim, temos que calcular o volume final pela fórmula P1V1=P2V2.

Temos, então: 200 kPa x 50,0 m3 = !00 kPa x P2 P2 = 100 m3

Calculando o trabalho: W = - PV. W = - 100 kPa x 100 m3 = - 10.000 kPa.m3 = -10.000 kJ

Na expansão isotérmica, a temperatura permanece constante, logo, todo calor fornecido resultará

em trabalho. Como a temperatura não variou, a energia também não varia.

7. Se 500 cm3 de um gás são comprimidos a 250 cm3, sob uma pressão constante de 300 kPa, e se o

gás também absorve 12,5 kJ, qual será o valor de q, w e E para o gás, expresso em kJ? Qual o

valor de E para o ambiente?

R.: q = + 12,5 kJ

V = 500 cm3 – 250 cm3 = 250 cm3 = 0,25 L = 2,5 x 10-4 m3.

W = -PV W = - 300 kPa.(-2,5 x 10-4 m3) = 0,075 kPa.m3 = 0,075 kJ

E = q + W E = 12,5 kJ + 0,075 kJ = 12,575 kJ = 12,6 kJ

E do ambiente = - 12,6 kJ.

8. Indique o sinal da variação de entalpia, H, em cada um dos seguintes processos realizados sob

pressão atmosférica e informe se o processo é endotérmico ou exotérmico:

a) um cubo de gelo se derrete; a fusão do gelo é um processo endotérmico H = “+”.

b) 1 g de butano (C4H10) é queimado em oxigênio suficiente para a completa combustão em CO2

e H2O; a combustão (queima) é um processo exotérmico H = “”.

9. Suponha que confinamos 1 g de butano e oxigênio suficiente para uma completa combustão em

um cilindro. O cilindro é perfeitamente isolado, de modo que nenhum calor possa escapar para a

vizinhança. Uma faísca inicia a combustão do butano, que forma dióxido de carbono e vapor de

água. Se utilizássemos esse instrumento para medir a variação de entalpia da reação, o êmbolo

subiria, cairia ou permaneceria constante?

R.: Um gás, quando aquecido expande-se. Como os produtos da reação são CO2(g) e H2O(g),

com o aquecimento, o êmbolo é forçado para cima.

10. Qual a quantidade de calor é liberado quando 4,5 g de gás metano são queimados em um sistema

à pressão constante? (H= -890 kJ)

R.: A partir da equação de queima do metano, tem-se:

CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O H= -890 kJ Massa molar do metano: 16 g/mol

16g ----------------------------------- 890 kJ

4,5g ---------------------------------- X X = 250,3 kJ

11. Calcule E e determine se o processo é endotérmico ou exotérmico para os seguintes casos:

a) Um sistema libera 113 J de calor para a vizinhança e realiza 39 KJ de trabalho na vizinhança;

R.: E = q + w q = 113 J w = 39 kJ = 39.000 J

E = (113 J) + (39.000 J) = 39.113 J (exotérmico)

b) b) q= 1,62 KJ e w= -874 KJ;

R.: E = q + w q = 1,62 kJ w = 874 kJ =

E = 1,62 kJ + ( 874 kJ ) = 872,38 kJ (exotérmico)

c) c) o sistema absorve 63,5 kJ de calor da vizinhança.

R.: Sistema absorve calor endotérmico

12. Considere a seguinte reação que ocorre a temperatura e pressão ambiente:

2Cl(g) Cl2(g) H= -243,4 kJ. Quem tem maior entalpia sob essas condições, 2Cl(g) ou

Cl2(g)?

O sinal negativo indica que o sistema perdeu calor; logo, “2Cl” tem a maior entalpia.

ou

Hreação = Hprodutos - Hreagentes

Hreação = 243,4 kJ Hprodutos = H(Cl2) = 0 (zero)

243,4 kJ = H(Cl2) - H(2Cl)

H(2Cl) = 243,4 0 = 243,4 kJ

O “2Cl” tem maior entalpia.

13. Considere a seguinte reação: 2Mg(s) + O2(g) 2MgO(s) H = -1.204 KJ

a) A reação é endotérmica ou exotérmica? R.: exotérmica porque H é negativo.

b) Calcule a quantidade de calor transferido quando 2,4 g de Mg(s) reagem a pressão constante.

R.: Massa molar do Mg = 24 g/mol 2Mg = 2 x 24 = 48g

48g de Mg (s) ------------- 1.204 kJ

2,4g de Mg (s) ------------ 60,2 kJ

c) Quantos gramas de MgO são produzidos durante uma variação de entalpia de 96 KJ?

R.: Massa molar do MgO = 24 + 16 = 40

Da equação acima, tem-se:

2MgO = 2 x 40g = 80g --------------- 1.204 kJ

“X”g ------------- 96 kJ

X = 80g x ( 96 kJ) / (1.204 kJ) = 6,38g

d) Quantos quilojoules de calor são absorvidos quando 7,5 g de MgO(s) de decompõe em Mg(s)

e O2(g) a pressão constante?

R.: Este item refere-se à decomposição do MgO(s), ou seja, à equação inversa:

2MgO 2Mg(s) + O2(g) H = +1.204 kJ (sinal trocado com a inversão)

80g ----------------------------- + 1.204 kJ

7,5g ---------------------------- Y = + 112,88 kJ

14. Nos Estados Unidos em 1947, a explosão de um navio carregado do fertilizante nitrato de amônio

(NH4NO3) causou a morte de 500 pessoas. A reação ocorrida pode ser representada pela equação:

2NH4NO3(s) 2N2(g) O2(g) + 4H2O(l) ΔH = - 411,2 kJ

Nesse processo, quando há decomposição de 1 mol do sal (nitrato de amônio) ocorre:

a) liberação de 411,2 kJ. d) absorção de 205,6 kJ.

b) absorção de411,2 kJ. e) liberação de 205,6 kJ.

c) liberação de 305,6 kJ.

R.: da equação acima, tem-se:

2NH4NO3 --------------- 411,2 kJ

1NH4NO3 --------------- X = 205,6 kJ

15. É comum o cozinheiro utilizar-se do bicarbonato de sódio (NaHCO3) para apagar chamas

causadas pela combustão da gordura. Quando lançado sobre as chamas, o sal decompõe-

se, originando gás carbônico, que abafa ainda mais a chama. A equação de decomposição

do bicarbonato de sódio e as entalpias-padrão de formação (ΔH) das substâncias

envolvidas estão representadas a seguir.

2NaHCO3 (s) → Na2CO3(s) + H2O(l) + CO2(g)

ΔH (CO2, g) = − 393,5 kJmol-1 ΔH (NaHCO3, s) = − 947,7 kJ mol-1

ΔH (H2O, l) = − 285,9 kJ mol-1 ΔH (Na2CO3, s) = − 1131,0 kJ mol-1

Calcule a entalpia final da equação e diga se é endotérmica ou exotérmica.

R.: H°reação = H°produtos H°reagentes

H°reação = [1.130 + (285,9) + (393,5)] 2 x (947,7)

H°reação = 1.809,4 (1.895,4) = 86kJ

16. O calor liberado na combustão de um mol de metano, CH4(g), é 212 kcal. Quando 80

gramas de CH4(g) (16 g/mol), são queimados, a energia liberada em kcal, é?

R.: CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O H = 212kcal

16g --------------------- 212

80g --------------------- X = 1.060kcal

17. Dados os gráficos abaixo, indique o tipo de reação que representam - exotérmica ou

endotérmica - e calcule o H, em cada caso.

reagentes

produtos

Caminho da reação

Entalpia/kcal

80

-30

reagentes

produtos

Caminho da reação

Entalpia/kcal

70

20

R.: a) pelo gráfico, verifica-se que a entalpia dos produtos é menor que a entalpia dos

reagentes. Logo, a reação perdeu calor exotérmica:

Hreação = Hprodutos Hreagentes

Hreação = (30) (80) = 110 kcal

b) pelo gráfico, verifica-se que a entalpia dos produtos é maior que a entalpia dos

reagentes. Logo, a reação ganhou calor endotérmica:

Hreação = Hprodutos Hreagentes

Hreação = (70) (20) = +50 kcal

18. Quando um aluno mistura 50 mL de solução 1M (1 mol/L) de ácido clorídrico (HCl) e 50

mL de solução 1M de hidróxido de sódio em um calorímetro de copo de isopor, a

temperatura aumenta de 21,0°C para 27,5°C. Calcule a variação de entalpia para a

reação, supondo que o calorímetro perde apenas uma quantidade desprezível de calor,

que o volume da solução é 100 mL, que sua densidade é 1,0 g/mL e que seu calor

específico é 4,18 J/g°C.

R.: q = m.c.t

m = m(HCl) + m(NaOH) = 50 g + 50 g = 100 g

c = 4,18 J/g.°C

t = tf – ti = 27,5°C – 21°C = 6,5°C

q = 100g . 4,18J/g.°C . 6,5°C

q = 2.717 J = 2,7 kJ.