Universidade do Estado de Santa Catarina
Disciplina: Química Geral e Inorgânica
Turma: Engenharia de Produção – QGI0001-T/A
2 ª Lista de Exercícios - Introdução a Termodinâmica - 28/09/2010 - Prof. Alesandro Bail
Primeira lei da termodinâmica.
Exercício 01: Uma amostra de gás em um sistema com pistão se expande, realizando 515 kJ de trabalho sobre vizinhança ao
mesmo tempo que 325 kJ são adicionados ao gás. (a) Qual é a variação de energia interna do gás durante o processo ?
(b) A pressão do gás será maior ou menor no término do processo ?
Exercício 02: Um aquecedor elétrico de 100 W opera por 10,0 minutos para aquecer um gás em um cilindro. Ao mesmo tempo,
o gás se expande de 2,00 L até 10,0 L contra uma pressão atmosférica constante de 0,975 atm. Qual é as variação de energia
interna do gás ? Considere 1 W = 1 J.s-1.
Exercício 03: Considere hipoteticamente que 3,0 mols de CO2 sofrem uma expansão reversível isotérmica durante a combustão
de um determinado combustível cujo volume varia de 5,00 L até 25,0 L e a pressão externa é reduzida de 2,50 atm para
1,15 atm. Esboçe o diagrama do processo, indicando as pressões e os volumes envolvidos. Determine (a) o trabalho realizado,
w, (b) o calor transferido, q, e (c) a variação de energia interna, U, do processo (se houver). Considere temperatura constante
igual a 727 K.
Calorimetria.
Exercício 04: (a) Calcule o calor que deve ser fornecido a um recipiente de 500,0 g de aço inox, que contém 450,0 g de água,
para elevar sua temperatura de 25,0 ºC até o ponto de ebulição da água, 100,0 ºC. (b) Que percentagem de calor foi utilizada
para aumentar a temperatura da água ?
Exercício 05: A entalpia de combustão do ácido benzóico, C6H5COOH, que é freqüentemente usado para calibrar calorímetros, é
-3.227 kJ/mol. Quando 1,236 g de ácido benzóico foi aquecido em um calorímetro, a temperatura aumentou 2,345 ºC. Qual é a
capacidade calorífica do calorímetro ?
Exercício 06: Suponha que você é um dos engenheiros de processo integrantes de uma equipe responsável pela produção em
uma determinada planta industrial química. O aquecimento de um novo tanque com capacidade para 1.000 L de água, que pesa
aproximadamente 2,0 toneladas, será suprido por uma caldeira com potência equivalente a 10.000 W (1 W = 1 J.s-1).
A temperatura da água do tanque deve ser elevada de 25,0 °C até 80,0 °C em, no máximo, 8 horas, o que corresponde ao
período de uma batelada na produção diária. O aquecimento dos 10.000 L de água não deve ultrapassar as 8 horas porque a
produção pararia e isso significaria prejuízo para a empresa. A equipe técnica precisa selecionar o material mais adequado para
a confecção do tanque de aquecimento de água considerando apenas essa limitação de tempo. Consultando a Tabela abaixo,
demonstre através de cálculos os materiais que poderiam ser utilizados para a confecção do tanque, respeitando as limitações
informadas. Considere a capacidade calorífica da água, Cp H20 = 4,184 J.g-1.°C-1. Não considere as limitações das propriedades
mecânicas dos materiais.
Tabela 1: Capacidades caloríficas a pressão constante, Cp, de alguns materiais.
Material
Cp (J. g-1.ºC-1)
Cobre
0,38
Latão
0,37
Polietileno
2,3
Entalpia.
Exercício 07: (a) Quando 25,23 g de metanol, CH 3OH, congelaram, 4,01 kJ de calor foram liberados. Qual é a entalpia de fusão
do metanol ? (b) Uma amostra de benzeno foi vaporizada à pressão reduzida, em 25 ºC. Quando se forneceu 27,5 kJ de calor,
ocorreu vaporização de 95 g de benzeno líquido. Qual é a entalpia de vaporização do benzeno a 25 ºC ?
Entalpia de reação.
Exercício 08: A oxidação de nitrogênio no exaustor quente de motores de jatos e de automóveis ocorre pela reação:
N2(g) O2(g)  2NO(g) Hº = +180,6 kJ
(a) Qual é o calor absorvido na formação de 1,55 mol de NO ?
(b) Qual é o calor absorvido na oxidação de 5,45 L de nitrogênio, em 1,00 atm e 273 K ?
(c) Quando a oxidação de N2 a NO foi completada em um calorímetro de bomba, o calor absorvido medido foi igual a 492 J. Que
massa de gás nitrogênio foi oxidada ?
Exercício 08: Em uma certa reação, em pressão constante, U= -65 kJ, e 48 kJ de trabalho de expansão foi realizado pelo
sistema. Qual é o valor de H no processo ?
Lei de Hess.
Exercício 09: Na preparação de ácido nítrico pela oxidação da amônia, o primeiro produto é óxido nítrico, que é depois oxidado a
dióxido de nitrogênio. A partir das entalpias padrão de reação,
N2(g) + O2(g)  2NO(g) Hº = +180,5 kJ
N2(g) + 2O2(g)  2NO2(g) Hº = +66,4 kJ
calcule a entalpia de reação da oxidação do óxido nítrico a dióxido de nitrogênio:
2NO(g) + O2(g)  2NO2(g) Hº = ?
Exercício 10: Determine a entalpia da reação de combustão parcial do metano a monóxido de carbono
2CH4(g) + 3O2(g)  2CO(g) + 4H2O(l). Considere as entalpias padrão de combustão: Hcº (CH4, g) = -890,0 kJ/mol e
Hcº (CO, g) = -283,0 kJ/mol.
Exercício 11: Use as entalpias padrão de formação abaixo e calcule a entalpia padrão da reação da calcita com ácido clorídrico.
Hfº (CaCO3, s) = -1.206,9 kJ/mol, Hfº (HCl, aq) = -167,16 kJ/mol, Hfº (CaCl2, aq) = -877,1 kJ/mol, Hfº (H2O, l) = -285,3
kJ/mol, Hfº (CO2, g) = -393,5 kJ/mol.
CaCO3(s) + 2HCl(aq)  CaCl2(aq) + H2O(l) + CO2(g) Hº = ?
Entropia.
Exercício 12: (a) Calcule a variação de entropia de 1,0 L de água, em 0 ºC, quando ela absorve 235 J de energia de um
aquecedor. (b) Se 1,0 L de água está em 99 ºC, qual é a variação de entropia ? Explique qualquer diferença na variação de
entropia para diferentes temperaturas. Considere o calor fornecido reversivelmente para o sistema, então qrev = H.
Enegia livre.
Exercício 13: Calcule a entalpia padrão de reação, a variação de entropia e a variação de energia livre de cada uma das duas
reações abaixo, usando os dados contidos na Tabela 2. Em seguida, responda qual dos reagentes estudados você esperaria que
fosse mais efetivo em remover a água de uma substância ? (a) a reação de H2SO4(l), um agente desidratante efetivo, com água
para formar ácido sulfúrico diluído: H2SO4(l)  H2SO4 (aq). (b) a reação de óxido de cálcio com água para formar hidróxido de
cálcio: CaO(s) + H2O(l)  Ca(OH)2(s).
Tabela 2: Dados termodinâmicos em 25 ºC.
Substância
Entalpia de formação
Hfº (kJ.mol-1)
CaO (s)
-635,09
Ca(OH)2 (s)
-986,09
H2O (l)
-285,3
H2SO4 (l)
-813,19
HSO4- (aq)
-887,34
H+ (aq)
0
Entropia molar
Smº (J.K-1.mol-1)
39,75
83,39
69,91
156,90
131,8
0
Energia livre de formação
Gfº (kJ.mol-1)
-604,03
-898,49
-237,13
-690,00
-755,91
0
Exercício 14: Os combustíveis de foguetes seriam inúteis se sua oxidação não fosse espontânea. Embora os foguetes operem
em condições muito diferentes das condições-padrão, uma estimativa inicial do potencial de um combustível de foguete pode
determinar se sua oxidação nas temperaturas elevadas que um foguete atinge é espontânea. Um químico que pesquisava
combustíveis para uso potencial no espaço imaginou usar cloreto de alumínio vaporizado em uma reação para qual a equação
resumida é
AlCl3(g) + O2(g)  Al2O3(g) + ClO(g)
Balanceie a equação. Use, em seguida, os dados abaixo (que são para 2.000 K) para decidir se o combustível é promissor e
merece mais estudo: Gfº (AlCl3, g) = -467 kJ/mol, Gfº (Al2O3, s) = -1.034 kJ/mol, Gfº (ClO, g) = +75 kJ/mol.
Referências bibliográficas:
Atkins, P e. Jones, L. Princípios de Química: questionando a vida moderna e o meio ambiente. Porto Alegre: Bookman. 2001.
Capítulos 6 e 7.
John C. Kotz, Paul M. Treichel, Jr., Gabriela C. Weaver, Química Geral e Reações Químicas 1, 6ª Edição, Editora Cengage
Learning, São Paulo, 2009.
John B. Russell, Química Geral, 2ª Edição, Editora Pearson Makron Books, São Paulo, 2004.