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Biblioteca de Química
Curso: Biblioteca de Química > Unidade 15
Lição 1: Energia interna- Introdução à primeira lei da termodinâmica
- Mais sobre energia interna
- Exemplo do cálculo da energia interna e do trabalho
- Calor e temperatura
- Calor específico e calor latente de fusão e de vaporização
- Problema de refrigeração da água
- Trabalho pressão x volume
- Macroestados e microestados
- Processos quase estáticos e reversíveis
- Trabalho devido à expansão
- Diagramas PV e trabalho de expansão
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Trabalho pressão x volume
O significado de trabalho na termodinâmica e como calcular o trabalho realizado pela compressão ou expansão de um gás
Principais Pontos:
- Trabalho é a energia necessária para mover algo contra uma força.
- A energia de um sistema pode mudar devido ao trabalho e a outras formas de transferência de energia, como, por exemplo, o calor.
- Os gases realizam trabalho de expansão ou compressão seguindo a equação:
Introdução: Trabalho e termodinâmica
Quando as pessoas falam de trabalho em suas conversas cotidianas, elas geralmente estão se referindo ao esforço colocado em uma atividade. Você pode "trabalhar em um projeto da escola" ou "trabalhar para aperfeiçoar seu jogo de beisebol". Entretanto, na termodinâmica, o trabalho tem um significado bem específico: é a energia necessária para mover um objeto contra uma força. Trabalho, start text, w, end text, é uma das formas fundamentais pelas quais a energia entra ou sai de um sistema, e sua unidade é o Joule (start text, J, end text).
Quando um sistema realiza trabalho no meio que o cerca, a energia interna desse sistema diminui. Quando trabalho é realizado sobre um sistema, a energia interna do sistema aumenta. Assim como o calor, a alteração de energia a partir do trabalho ocorre como parte de um processo: um sistema pode realizar trabalho, mas não contém trabalho.
Para calcular o trabalho realizado por uma força constante, podemos usar a seguinte equação geral:
start text, t, r, a, b, a, l, h, o, end text, equals, start text, f, o, r, ç, a, end text, times, start text, d, e, s, l, o, c, a, m, e, n, t, o, end text.
Para efeitos de aula de química (ao contrário da aula de física), a conclusão mais importante a partir desta equação é que o trabalho é proporcional ao deslocamento, bem como à magnitude da força usada. Diversas versões da equação do trabalho podem ser usadas dependendo do tipo de força envolvida. Seguem alguns exemplos de realização de trabalho:
- Uma pessoa levantando livros do chão e colocando-os em uma estante realiza trabalho contra a gravidade.
- Uma bateria empurrando uma corrente elétrica através de um circuito realiza trabalho contra a resistência.
- Uma criança empurrando uma caixa pelo chão realiza trabalho contra o atrito.
Em termodinâmica, nosso principal interesse é o trabalho realizado pela expansão ou compressão de gases.
Trabalho pressão x volume: O trabalho realizado por um gás
Os gases podem realizar trabalho por expansão ou compressão contra uma pressão externa constante. O trabalho realizado por gases é também chamado, às vezes, de pressão x volume ou trabalho PxV por motivos que, esperamos, ficarão mais claros nesta seção!
Vamos considerar um gás contido em um pistão.
Se o gás for aquecido, será adicionada energia às moléculas de gás. Podemos observar o aumento de energia cinética média das moléculas medindo o aumento de temperatura. À medida que as moléculas se movem mais rapidamente, elas também colidem com o pistão com maior frequência. As colisões cada vez mais frequentes transferem energia para o pistão e o movem contra uma pressão externa, aumentando o volume geral do gás. Neste exemplo, o gás realizou trabalho sobre o meio exterior, que corresponde ao pistão e ao restante do universo.
Para calcular a quantidade de trabalho que um gás realizou (ou recebeu) contra uma pressão externa constante, usamos uma variação da equação anterior:
onde start text, P, end text, start subscript, start text, e, x, t, e, r, n, a, end text, end subscript é a pressão externa (em oposição à pressão do gás do sistema) e delta, start text, V, end text é a mudança no volume do gás, que pode ser calculada a partir dos volumes inicial e final do gás:
Como trabalho é energia, sua unidade é o joule (onde 1, start text, J, end text, equals, 1, start fraction, start text, k, g, end text, dot, start text, m, end text, squared, divided by, start text, s, end text, squared, end fraction). Você poderá encontrar outras unidades, como atmosferas para pressão e litros para volume, o que resulta na unidade de trabalho start text, L, end text, dot, start text, a, t, m, end text. Podemos converter start text, L, end text, dot, start text, a, t, m, end text em joules usando o fator de conversão de start fraction, 101, comma, 325, start text, J, end text, divided by, 1, start text, L, end text, dot, start text, a, t, m, end text, end fraction.
O sinal do trabalho
Convencionalmente, o trabalho é negativo quando um sistema realiza trabalho sobre o meio exterior.
- quando o gás realiza trabalho, o seu volume aumenta (delta, start text, V, end text, is greater than, 0) e o trabalho realizado é negativo.
- Quando trabalho é realizado sobre o gás, o volume do gás diminui (delta, start text, V, end text, is less than, 0) e o trabalho é positivo.
Uma maneira de lembrar a convenção do sinal é sempre pensar na mudança de energia do ponto de vista do gás. Quando o gás se expande contra uma pressão externa, ele precisa transferir energia para o meio exterior. Desta forma, o trabalho negativo diminui a energia total do gás. Quando o gás é comprimido, a energia é transferida para o gás, então, a energia do gás aumenta devido ao trabalho positivo.
Exemplo: Cálculo do trabalho realizado sobre um gás
Para ilustrar como usar a equação de trabalho PxV, vamos imaginar uma bomba de bicicleta. Vamos pressupor que seja possível aproximar o ar na bomba de bicicleta de um gás ideal dentro de um pistão. Podemos realizar trabalho sobre o ar da bomba comprimindo-o. Inicialmente, o gás tem volume de 3, comma, 00, start text, L, end text. Aplicamos uma pressão externa constante de 1, comma, 10, start text, a, t, m, end text para empurrar a alavanca da bomba para baixo até que o gás esteja comprimido em um volume de 2, comma, 50, start text, L, end text. Calcule o trabalho que realizamos sobre o gás.
Podemos usar a equação da seção anterior para calcular o trabalho que foi realizado para comprimir o gás:
Se inserirmos os valores de start text, P, end text, start subscript, start text, e, x, t, e, r, n, a, end text, end subscript, start text, V, end text, start subscript, start text, f, i, n, a, l, end text, end subscript e start text, V, end text, start subscript, start text, i, n, i, c, i, a, l, end text, end subscript do nosso exemplo, obtemos:
Vamos verificar o sinal do trabalho e se ele faz sentido. Sabemos que o gás recebeu trabalho, pois o volume de gás diminuiu. Isso significa que o valor do trabalho que calculamos deve ser positivo, o que corresponde ao nosso resultado. Viva! Também podemos converter o trabalho que calculamos em joules usando o fator de conversão:
Portanto, realizamos 56, start text, J, end text de trabalho para comprimir o gás na bomba de bicicleta de 3, comma, 00, start text, L, end text para 2, comma, 50, start text, L, end text.
Trabalho quando o volume ou a pressão são constantes
Há alguns cenários comuns que podemos usar para calcular trabalho na aula de química, e é bom saber reconhecê-los quando surgirem. Vamos discutir como calcular trabalho para esses casos.
Processos sob volume constante
Às vezes, as reações ou processos ocorrem em um recipiente resistente e lacrado, como uma bomba calorimétrica. Quando não há possibilidade de mudança de volume, também não é possível que os gases realizem trabalho, porque delta, start text, V, end text, equals, 0. Nesses casos, start text, t, r, a, b, a, l, h, o, end text, equals, 0 e a mudança de energia do sistema deve ocorrer de outras formas, como, por ex., por meio de calor.
Reações de bancada (ou de estufa): Processos de pressão constante
Na química, muitas vezes nós nos interessamos por mudanças de energia que ocorrem durante reações químicas sob pressão constante. Por exemplo, você pode realizar uma reação em um Becker aberto sobre a bancada. Esses sistemas estão sob pressão constante porque a pressão do sistema pode se equilibrar com a pressão atmosférica do meio exterior.
Nesta situação, o volume do sistema pode mudar durante a reação, então, delta, start text, V, end text, does not equal, 0 e o trabalho também é diferente de zero. O calor também pode ser transferido entre o sistema (nossa reação) e o meio exterior, então, tanto o trabalho quanto o calor devem ser considerados quando estudamos a mudança de energia na reação. A contribuição energética do trabalho torna-se mais significativa quando a reação produz ou consome gases, especialmente se o número de mols de gás mudar substancialmente entre o produto e os reagentes.
Outros processos químicos resultam em uma mudança pequena de volume, como quando um líquido muda da fase líquida para a sólida. Nesses casos, a mudança de energia devido ao trabalho também vai ser bem pequena, e pode até ser ignorada quando calcularmos a mudança de energia. A relação entre trabalho, calor e outras formas de transferência de energia será discutida mais adiante no contexto da primeira lei da termodinâmica.
Conclusões
- Trabalho é a energia necessária para mover algo contra uma força.
- A energia de um sistema pode mudar devido ao trabalho e a outras formas de transferência de energia, como, por exemplo, o calor.
- Os gases realizam trabalho de expansão ou compressão seguindo a equação:
Quer participar da conversa?
Se temos um Gás, e ele passa por um processo de trabalho,(ele passa a ter pressão por um embolo) ele aumenta a pressão e diminui no volume, o w é positivo ou negativo?(2 votos)
Sempre que for compressão é trabalho negativo, trabalho sobre o gás, que recebe energia. Sempre que for expansão, é trabalho positivo, trabalho realizado pelo gás, que perde energia... A fórmula é Trab = p . ΔV.
Com V aumentando, ΔV é positivo e o trabalho também. Com V diminuindo, ΔV é negativo e o trabalho também. O trabalho sempre terá o mesmo sinal do ΔV, já que p é sempre positivo e nunca nulo. Na transformação isovolumétrica, quando ΔV = 0, o trabalho também é nulo. Com ΔV +, trabalho é +, ΔV -, então o trabalho também é -!(1 voto)
- Um processo reversível é aquele em que o sistema está sempre infinitesimalmente
próximo do equilíbrio, e uma mudança infinitesimal das condições pode reverter o processo para
restaurar tanto sistema quanto vizinhança aos seus estados iniciais. Uma amostra de 1,0 mol de
gás ideal, a 27°C, se expande isotermicamente da pressão inicial de 3,0 atm até a pressão final
de 1,0 atm, de duas maneiras:
(a) reversivelmente;
(b) contra uma pressão externa constante de 1,0 atm.
Para cada caso, (letras a e b), calcule para o gás (sistema) os valores de calor(q), trabalho (w) e
variação da energia interna (U). Determine também, para cada caso, os valores de variação de
entropia do sistema, Ssist, a variação de entropia na vizinhança do gás, Sviz, e a variação de
entropia total (sistema + vizinhança) Stot.(2 votos) 
Tenho duas perguntas:
Primeiro, como é possível calcular o trabalho em uma transformação isotérmica (em que a pressão não é cte)?
Depois, se o gás ideal é comprimido isobaricamente, por que necessariamente sua energia interna diminui (aliás isso tem a ver com o módulo de Q ser maior que o de W)?(1 voto)