ATKINS, Peter. Termodinâmica: A primeira Lei, 2002, pgs. 340-389.

CAPÍTULO 6

Quando gás natural, na maior parte gás metano, CH queima, formam-se dióxido de carbono e moléculas de água.. O rearranjo das ligações - a quebra das ligações C - H e O - O e a formação das ligações H - O e C - O - produz uma grande quantidade de energia na forma de calor .

Por que precisamos conhecer este assunto?

Como a energia domina toda mudança química, a termodinâmica - o estudo das transformações de energia - é essencial à química . A termodinâmica explica por que as reações ocorrem . Também nos leva a predizer o calor requerido ou produzido pelas reações químicas . A produção de calor é parte essencial na avaliação do aproveitamento de compostos como combustíveis e alimentos, e a primeira lei da termodinâmica permite-nos discutir estes tópicos sistematicamente . O assunto, neste capítulo, fornece os fundamentos para os capítulos seguintes, em particular o Capítulo 7, que trata da força motriz das reações químicas -porque elas ocorrem e em qual direção se espera que elas aconteçam.

O que precisamos conhecer previamente?

Este capítulo assume que temos conhecimentos sobre energia (Seção A) e as leis dos gases ideais (Capítulo 4). Algumas das interpretações referem-se às forças intermoleculares (Seções 4.14 e 5.1-5.5) . O assunto aqui baseia-se na introdução das ligações iônicas e das forças de ligação das Seções2.1, 2.2, 2.16 e 2.17 .

Termodinâmica: A Primeira Lei

O estudo da termodinâmica, transformações da energia, divide-se naturalmente em duas partes. A primeira lei preocupa-se em observar as variações de energia e permite-nos calcular, por exemplo, quanto calor uma reação produz. A segunda lei, que é assunto do capítulo seguinte, explica porque algumas reações ocorrem mas outras não . Ambas as leis são resultado de experimentos com a matéria e são independentes de qualquer modelo que leve em conta a estrutura microscópica da matéria - você pode usar a termodinâmica mesmo se você não acredita na existência de átomos! Entretanto, podemos interpretar ambas as leis em termos de modelos baseados no comportamento dos átomos e moléculas, e assim aprofundarmos nossa compreensão sobre as propriedades da matéria. Para avançar na conexão entre átomos e a matéria, temos que reconhecer que a última é constituída de grande número de átomos. A termodinâmica estatística é a interpretação das leis da termodinâmica em termos do comportamento de grande número de átomos e moléculas que compõe uma amostra típica . Estaremos movendo-nos entre estes dois níveis de explicação, porque um conhecimento de como o comportamento molecular contribui para as propriedades da matéria, enriquecerá nossa compreensão da termodinâmica e desenvolverá nosso conhecimento sobre as propriedades da matéria .

Sistemas, estados e energias

Antigamente, o calor era entendido como sendo um fluido chamado calórico, que fluía de uma substância quente a uma mais fria. O engenheiro francês Sadi Carnot (Fig. 6-1), que ajudou a estabelecer as bases da termodinâmica, acreditava que o trabalho resultava de um fluxo de calórico, como a água gira uma roda d'água. Alguns resultados de Carnot sobrevivem, mas sabemos que o calórico é um mito . Não muito após Carnot ter proposto suas idéias, começo do século XIX o físico inglês James Joule mudou o curso da ciência com a sugestão de que o calor é uma forma de energia (Fig. 6.2) . De fato, ele foi além: como ele encontrou que poderia aumentar a temperatura das substâncias ou por aquecimento ou realizando trabalho sobre elas (por exemplo, agitando-as vigorosamente), propôs que calor e trabalho são formas de energia e que um pode converter-se no outro . Nossa primeira tarefa é ver o que significam todos estes termos, por eles serem o coração da termodinâmica .

6.l Os sistemas

A termodinâmica está baseada em experimentos nos quais a energia é transformada de uma forma para outra e transferida de um lugar a outro. Por exemplo, a eletricidade pode ser usada em uma estação de força mas usada em uma fábrica a uma grande distância; o alimento pode ser digerido em nosso estômago, mas a energia produzida pode ser usada em nossa cabeça. Para obter informações sobre a energia, dividimos o mundo em duas partes . A região na qual estamos interessados, tal como um recipiente com um gás, um copo de água ou uma mistura reacional é chamada de sistema (Fig. 6.3). Tudo além disso, como um banho-maria no qual a mistura reacional pode estar imersa, é chamada de vizinhança- As vizinhanças são onde fazemos observações sobre a energia transferida para ou do sistema .

Um sistema pode ser aberto, fechado ou isolado (Fig. 6.4) . Um sistema aberto pode trocar energia e matéria com as vizinhanças. Exemplos de um sistemas aberto são os motores de automóveis e o corpo humano . Um sistema fechado tem uma quantidade fixa de matéria, mas pode trocar energia com as vizinhanças . Exemplos de sistemas fechados são as bolsas de gelo usadas em ferimentos de atletas. Um sistema isolado não tem contato com as vizinhanças. Podemos pensar em um sistema rigorosamente fechado, com paredes isolantes térmicas . Uma boa aproximação para um sistema isolado pode ser café quente dentro de uma garrafa térmica .

Entalpia

A entalpia de uma mudança química

Em termodinâmica, o mundo está dividido em um sistema e suas vizinhanças . Um sistema aberto pode trocar matéria e energia com suas vizinhanças; um sistema fechado pode trocar somente energia; um sistema isolado não pode trocar nada.

6.2 A energia e o trabalho

A propriedade fundamental em termodinâmica - no sentido que fornece uma definição de seu principal conceito - é trabalho, ou movimento contra uma força . O trabalho é realizado quando um peso é levantado contra a força da gravidade. A reação em uma bateria realiza trabalho quando empurra uma corrente elétrica em um circuito. O gás em um cilindro - talvez uma mistura de gases quentes em um motor de automóvel - realiza trabalho quando empurra o pistão de volta. Podemos identificar um processo que realiza trabalho observando se, ao menos em princípio, pode ser capaz de levantar um peso. A expansão de um gás, por exemplo, pode ser usada para levantar um peso, porque o pistão pode estar conectado com um peso. Uma corrente elétrica produzida por uma bateria pode ser usada um peso se o circuito inclui um motor elétrico . O trabalho que tem que ser feito para mover um objeto a uma certa distância contra uma força que se opõe é calculado multiplicando-se a força pela distância:

Trabalho= força x distância