Lista de exercício (termodinâmica) com gabarito

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Lista muito boa para estudar termodinâmica, elaborada pelo professor Guilherme Bretz.

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Lista de exercício (termodinâmica) com gabarito

  1. 1. 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 = - PV. 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
  2. 2. V = 500 cm3 – 250 cm3 = 250 cm3 = 0,25 L = 2,5 x 10-4 m3. W = -PV 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.
  3. 3. 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.
  4. 4. 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.

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