UNIVERSIDADE ESTADUAL DE GOIÁS

UNIDADE DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS

GRADUAÇÃO EM QUÍMICA INDUSTRIAL

AULA Nº. 08

TRABALHO, CALOR E ENERGIA.

Thiago Oliveira Lopes, Glauco César e Eduardo Andrade.

Professora: Msc. Lílian Físico-Química Experimental I

Experimento realizado dia 11/05/2009.

1. INTRODUÇÃO:

Um exemplo de aplicação de

trabalho a um sistema faz-se mediante

interação com um reservatório de trabalho

constituído por um peso mg, suspenso por

uma roldana. O trabalho aplicado é igual à

diminuição da energia potencial do peso, ou

seja, , enquanto o efeito

observado no sistema é uma elevação de

temperatura de T1 a T2. Observa-se, além

disso, que a elevação de temperatura é

proporcional ao trabalho aplicado [1].

Isto nos leva supor que o trabalho

aplicado adiabaticamente ao sistema

converte-se em energia interna ao transpor a

fronteira entre o meio externo e o sistema.

O acréscimo de energia interna está

vinculado à mudança do estado

termodinâmico do sistema, mudança essa

que limita, no caso, a uma simples variação

de temperatura [1].

Por isso define-se trabalho em

termodinâmica como energia trocada entre

o sistema e o meio externo, como

conseqüência exclusiva de uma força que

atua entre esse sistema e o meio externo [1].

Calor pode ser definido

provisoriamente como uma quantidade que

se transfere de um corpo a outro por efeito

exclusivo de uma diferença de temperatura

entre ambos (sempre do de maior para o de

menor temperatura). É um dado de

experiências que a quantidade de calor

recebida por um sistema simples, sob

pressão constante, é proporcional ao

acréscimo de temperatura produzido, Isto é [1].

,onde C é um fator de proporcionalidade,

chamado capacidade calorífica, que

depende da natureza da substância, da

massa considerada e que varia também

sensivelmente, com o intervalo de

temperatura [1].

A equação acima permite definir

uma unidade de quantidade de calor. Para

isso, toma-se a água líquida como

substancia de referência e arbitra-se um

valor unitário para a sua capacidade

calorífica a 15 ºC. Resulta então a

capacidade calorífica a 15 ºC como a

quantidade de calor necessária para elevar

de 14,5ºC a 15,5ºC a temperatura de um

grama de água [1].

,onde C(T) representa a dependência

funcional entre capacidade calorífica e

temperatura [1].

O calor recebido por um sistema é

considerado uma quantidade positiva em

relação a esse sistema. Inversamente, o

calor transferido ao meio externo e uma

quantidade negativa em relação ao sistema [1].

A quantidade de trabalho aplicado

ao sistema (- W) e a quantidade de calor por

ele cedida (- Q) podem ser medidas no

meio externo, verificando-se que, embora

se alterem em cada experiência as

quantidades de trabalho e de calor são

trocadas com o meio externo, é constante

em todas as transformações cíclicas, a razão

entre trabalho recebido e o calor cedido

pelo sistema [1].

A maior parte das transformações

termodinâmicas é constituída de

transformações termelásticas. Sob esse

nome se entendem transformações em que,

além das possíveis troca de calor com o

meio externo, a única forma de trabalho que

pode ser produzida pelo sistema é o

elástico, proveniente da variação de volume

sob uma pressão constante ou variável. Este

trabalho é também conhecido como

trabalho de expansão ou trabalho pV [1].

Tome-se como exemplo de um gás

encerrado num cilindro provido de um

pistão área A, sem peso, que se desloca sem

atrito. Seja p a pressão do gás e p’ a pressão

externa. É preciso lembrar que todo

trabalho, em Termodinâmica é produzido

por forças externas ao sistema. A força

externa que atua sobre o pistão é

e o trabalho realizado por esta

força, quando o pistão sofre um

deslocamento ds em direção oposta á força,

será [1]:

Se 180º , 1- 180º cos , então:

Todavia, este trabalho se traduz no

aumento de energia potencial do meio

externo dizendo-se que o sistema produziu

trabalho. Mas dada convenção que o

trabalho produzido sobre o sistema é uma

quantidade positiva, trocamos o sinal da

equação [1].

Então o trabalho elástico ou de

expansão produzido por um sistema durante

uma variação infinitesimal de volume é

expresso por:

Considerando agora 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. Pela mesma razão, a soma

desse trabalho no meio externo numa

transformação isobárica onde [1].

Variando de um volume inicial V1

para um volume final V2:

2. OBJETIVO:

O objetivo desse experimento é

verificar a relação entre o trabalho, calor e

energia, produzida por uma reação química

e verificar se uma reação e exotérmica ou

endotérmica.

3. PROCEDIMENTO

EXPERIMENTAL [3]:

3.1 Parte I:

Primeiramente foi montado um

sistema com um kitassato sobre uma chapa

(para agitação), e a este kitassado foi

conectada uma seringa de vidro de 20 mL

(com auxílio de mangueiras) que foi

colocada na posição horizontal. Foi

utilizada fita veda-rosca nas conexões para

que não houvesse perda de gás durante o

experimento. Então 50,0 mL de ácido

clorídrico previamente medido com uma

pipeta volumétrica foi adicionado ao

kitassato.

Em 3 béqueres diferentes foram

pesadas amostras diferentes de alumínio de

8,0 g; 10,0 g e 12,0 g.

Então a primeira amostra de

alumínio foi adicionada ao kitassato e em

seguida rapidamente o mesmo foi tampado

com uma rolha. Ligou-se o agitador

magnético e esperou a reação se completar

sempre agitando o frasco. Após certo tempo

observou-se que houve um deslocamento

no êmbolo da seringa, esse valor foi

anotado em uma tabela para cálculos

futuros.

O kitassato foi lavado, mais 50 mL

de ácido clorídrico foram adicionados, a

segunda amostra foi colocada no sistema, o

mesmo foi rapidamente fechado com a

rolha e observou-se novamente o

movimento do êmbolo da seringa (variação

de volume). Esse mesmo procedimento foi

repetido para todas as outras amostras de

alumínio pesadas e as respectivas variações

de volume foram anotadas para o cálculo

dos trabalhos de expansão.

3.2 Parte II:

Em um béquer de 100,0 mL

adicionou-se 50,0 mL de água destilada,

mediu-se a temperatura anotando-a logo em

seguida. Em um segundo béquer foram

adicionados 50,0 mL de ácido clorídrico

previamente medidos em uma pipeta

volumétrica e novamente foi medida a

temperatura. O ácido foi vertido sobre a

água e a temperatura foi novamente medida

a fim de se saber se a reação de dissolução

do HCl na água é do tipo endotérmica ou

exotérmica. O mesmo procedimento foi

realizado com o NH4OH.

4. RESULTADOS E

DISCUSSÕES:

4.1 Trabalho de expansão de um

gás:

Neste procedimento, a reação

química que produziu o gás, gerando o

trabalho de expansão foi:

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:

2n = 3

n = 3/2.

Após a observação necessária de

todos os acontecimentos durante a

realização do experimento, notou-se que de

fato ocorria uma realização de trabalho

durante a reação entre o alumínio e o ácido

clorídrico. Este trabalho pode ser calculado

utilizando a fórmula:

W= pop x ΔV

onde:

W= trabalho

pop = pressão que se opõe = pressão externa

ΔV = variação de volume do gás

Para a reação utilizando 8 mg de Al, tem-

se:

W= pop x ΔV

W= 1 atm x 0,007 L

W= 0,007 atm .L

Como a unidade no SI para trabalho

é Joule é necessário fazer uma conversão

destas unidades de pressão e volume. Para

simplificar os cálculos, ao invés de se

converter os valores para as unidades que

fornecem o trabalho em Joule, (pressão em

Pa e volume em m3), calcula-se o trabalho

utilizando a pressão em atm e o volume em

L e multiplica-se o resultado por um fator

de conversão, que neste caso é 101,325 J.

Isto ocorre porque:

1 L atm = 10-3 m3 . 101,325 .103 Pa =

101,325 Pa. m3 = 101,325 J

Então: 0,007 atm.L X 101,325 = 0,709275 J

Fazendo os mesmos cálculos para

as reações contendo 10 mg e 12 mg de Al,

tem-se:

-Para 10 mg de Al, a variação de volume

foi 9,5 mL:

W=1 atm x 0,0095 L x 101,325

W=0,9625875 J

- Para 12 mg de Al, a variação de volume

foi 15,5 mL:

W=1atm x 0,0155 L x 101,325

W= 1,5705375 J

Levando-se em consideração que, a

quantidade de mols de H2 formado é 3/2

mols de Al adicionado na reação e os

valores dos trabalhos experimentais

calculados acima, podem-se comparar os

números de mol teóricos e experimentais

para o gás hidrogênio formado na reação.

Então:

- Para 8 mg de Al:

mol de Al.

J

Realizando os mesmos cálculos

para as outras massas de Al, tem-se que:

- Para 10 mg de Al:

mol de Al.

Número de mols teóricos de H2 = 2,472.10-4

mol.

J

- Para 12 mg de Al:

mol de Al.

Número de mols teóricos de H2 = 2,965.10-3

J

Tabela 1: Trabalho de expansão

Massa de

alumínio

Trabalho Experimental (J)

Trabalho Teorico (J)

8 mg 0,709 0,490

10 mg 0,963 0,613

12 mg 1,570 7,350

0,000

1,000

2,000

3,000

4,000

5,000

6,000

7,000

8,000

0,00 5,00 10,00

Massa do Alumínio

Tra

bal

ho

rea

liza

do

Experimental Teórico

Gráfico 1: Trabalho de expansão.

4.2 Reações exotérmicas e

endotérmicas:

No segundo procedimento realizado

na aula, teve-se que a temperatura inicial da

água era de 24,5°C e após a adição de HCl

esta temperatura passou a ser de 26,5°C,

logo houve um ΔT positivo, ou seja, um

aquecimento da água. Analisando bem,

percebe-se que se houve um aumento na

temperatura a reação está liberando calor e,

portanto, a reação foi exotérmica.

Tomando agora a reação entre a

água e a Uréia, teve-se que a temperatura

inicial foi de 24,5°C e a temperatura após a

adição do hidróxido de amônio foi de 20°C.

O que aconteceu foi justamente o contrário

da primeira reação. Aqui, o ΔT foi negativo

e por isso a reação é considerada

endotérmica (que absorve calor).

5. CONCLUSÃO:

Após a realização dos experimentos

concluímos que em reações em que ocorre

liberação de gás, que o sistema está

fechado, mas que o seu volume pode variar,

há a produção de trabalho (trabalho de

expansão). E concluímos também que

reações de dissolução em água podem ser

exotérmicas (liberar calor) ou endotérmicas

(absorver calor).

6. REFERÊNCIA

BIBLIOGRÁFICA:

[1] Pilla, Luiz. Físico Química I; ed.

Livros Técnicos e científicos;1979;

Rio de Janeiro R.J p 135-151.

[2] Adaptado de: “Fundamentos de

Físico-Química”; CASTELLAN.

Gilbert; traduzido de “Physical

Chemistry” por SANTOS, Cristina

Maria Pereira e FARIA Roberto de

Barros; Rio de Janeiro, RJ, Brasil;

Ed. LTC; 2001.

[3] Adaptado de: “Apostila de Físico-

Química Experimental I”; SILVA,

Valmir Jacinto.