Quimica Das Tranformacoes - Experimeto 6

Introdução

A energia está na base da civilização. Usamos energia, a cada dia, em suas diversas formas para sustentar a vida, para ficar suficientemente quente ou frio, para nos movermos e para pensar. Todos esses processos envolvem a liberação, a absorção, a transferência ou a conversão de energia. O estudo das transformações da energia de uma forma para outra se chama termodinâmica.

Dois conceitos fundamentais da termodinâmica são calor e trabalho. Antigamente, o calor era entendido como um fluido chamado de calórico, que fluía de uma substância quente para outra fria.

Estuda-se, na termodinâmica, como a energia pode ser transformada de uma forma para outra e transferida de um lugar a outro. A região na qual estamos interessados, que pode ser, por exemplo, um recipiente contendo gás, bécher de ácido ou uma fibra de músculo, é chamada sistema. Tudo o mais, como, por exemplo, o banho-maria em que uma mistura de reação está imersa, é chamado de vizinhança. A vizinhança inclui a área onde fazemos observações sobre a energia transferida para o sistema ou retirada do sistema. O sistema e a vizinhança, por sua vez, formam o universo, porém, com frequência, a parte do universo que é afetada em um processo é formada pela amostra.

A energia interna de um sistema, isto é, sua capacidade de realizar trabalho, também pode ser alterada pela troca de energia com a vizinhança na forma de calor. Calor é um termo comum que em termodinâmica tem um significado especial. Em termodinâmica, calor é a energia transferida em consequência de uma diferença de temperatura. A energia flui na forma de calor de uma região de temperatura alta para uma região de baixa temperatura [1]. É importante salientar que energia térmica de um sistema é a soma das energias cinética e potencial proveniente do movimento térmico caótico de átomos, íons e moléculas. As moléculas que estão em uma região de temperatura alta movem-se mais vigorosamente do que as moléculas que estão em uma região de temperatura baixa. Quando as duas regiões entram em contato, as moléculas que possuem mais energia da região de temperatura alta estimulam o movimento das moléculas da região de temperatura baixa. O resultado é que a energia interna do sistema mais frio aumenta, enquanto a do sistema mais quente diminui. O “fluxo” de energia devido à diferença de temperatura é simplesmente a transferência da energia térmica do movimento, a energia associada com o movimento caótico das moléculas.

Representamos a energia transferida para um sistema como q. Portanto, quando a energia interna de um sistema se altera por transferência de energia na forma de calor (sem que nenhum outro processo ocorra), delta U é igual a q. Se a energia entra em um sistema como calor, a energia interna do sistema aumenta e q é positivo; se a energia deixa o sistema como calor, a energia interna do sistema diminui e q é negativo [1]. A energia transferida na forma de calor é medida, como qualquer outra energia, em joules, J. Entretanto, uma unidade de energia que ainda é muito usada em bioquímica e campos correlatos é a caloria (cal). Na definição original, uma cal correspondia à energia necessária para elevar de 1ºC a temperatura de 1g de água. A definição moderna é: 1cal = 4,184 J (exatamente). [1]

Um processo que libera calor para a vizinhança é denominado de processo exotérmico. As reações mais comuns- e todas as reações de combustões, como usadas nos meios de transporte e no aquecimento- são exotérmicas. As reações que absorvem calor da vizinhança são menos comuns. Um processo que absorve calor é denominado processo endotérmico. Certos processos físicos comuns são endotérmicos. Um exemplo é a vaporização, que é endotérmica porque é necessário fornecer calor para afastar as moléculas de um líquido umas das outras.

A medida do calor produzido ou absorvido por um processo é usada para acompanhar a mudança da energia interna de um sistema. Se o sistema não perde energia na forma de trabalho, o influxo de energia pelas paredes de um recipiente diatérmico aumenta a temperatura do sistema, logo o acompanhamento da mudança da energia interna. Para converter uma mudança de temperatura em energia, precisa-se conhecer a capacidade calorífica, C, isto é, a razão entre o calor fornecido e o aumento de temperatura que ele provoca [3]:

Capacidade calorífica = calor fornecido/ aumento de temperatura

Uma grande capacidade calorífica significa que uma dada quantidade de calor produz um pequeno aumento de temperatura. Uma pequena capacidade calorífica significa que mesmo uma pequena quantidade de energia transferida na forma de calor produz um grande aumento de temperatura. A capacidade calorífica é uma propriedade extensiva: quanto maior for a amostra, mais calor é necessário para aumentar sua temperatura e, por conseguinte, maior sua capacidade calorífica [2]. É comum, portanto, registrar a capacidade calorífica específica (frequentemente chamada de “calor específico”, Cs, que é a capacidade calorífica dividida pela massa da amostra (Cs = =C/m), ou a capacidade calorífica molar, Cm, que é a capacidade calorífica dividida pela quantidade (em mols) da amostra (Cm = C/n) [1].

A transferência de energia na forma de calor é medida com um calorímetro, um dispositivo no qual o calor transferido é monitorado pela variação de temperatura que ele provoca, usando-se q = CcalX delta , em que Ccal é a capacidade calorífica do calorímetro. Um calorímetro pode ser simplesmente um vaso isolado termicamente e imerso em um banho de água, equipado com um termômetro, conforme a figura abaixo:

A única forma de mudar a energia interna de um sistema fechado é transferir energia para ele na forma de calor ou trabalho. Se o sistema está isolado, nem isso é possível e a energia interna não pode mudar. Essa observação é conhecida como a primeira lei da termodinâmica, que declara: A energia interna de um sistema isolado é constante. De acordo com a primeira lei, se um sistema tem uma dada energia interna em um momento e nós o examinamos novamente algum tempo depois, encontraremos a mesma energia interna, independentemente do tempo que passou. Alternativamente, se permitimos que o sistema passe por uma série de mudanças, mas fazemos com que ele volte ao estado original, verificar-se-á a mesma energia interna que tinha desde o início. Sucintamente, a energia interna é uma função de estado, uma propriedade cujo valor depende somente do estado atual do sistema e é independente da maneira pela qual o estado foi atingido. A pressão, o volume, a temperatura e