Chapter 6: Thermochemistry

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6.1:

Princípios Básicos de Energia

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Chemistry

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Energy Basics

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6.2: First Law of Thermodynamics

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Porque é que o metal de sódio reage com água para fazer gás de hidrogênio, mas o cloreto de sódio simplesmente se dissolve, isto pode ser explicado através do estudo da relação entre a química e a energia, chamada de termoquímica’Todas as formas de matéria estão associadas com energia, que pode ser medida como calor ou trabalho. Os dois principais tipos de energia são a energia potencial e a energia cinética. A energia potencial descreve as forças posicionais que atuam sobre o objeto.Uma rocha no topo de uma colina tem mais energia potencial do que uma rocha na base porque a rocha na parte superior está mais longe do centro de massa da Terra. A energia cinética é a energia de um objeto em movimento. Se uma pedra é empurrada para fora da colina, perde energia potencial mas ganha energia cinética à medida que se move.Isto também se aplica aos átomos ou moléculas que compõem um objeto. Um objeto em repouso ainda tem energia cinética porque os seus átomos componentes podem vibrar. Esta forma de energia cinética é chamada de energia térmica.Um objeto tem uma energia cinética mais elevada e, consequentemente uma energia térmica mais elevada quando os átomos se movem mais vigorosamente. Este objeto é visto como quente. As moléculas também têm energia potencial chamada de energia química, que está associada à posição relativa dos elétrons e núcleos.Durante uma reação, a energia química é convertida noutras formas de energia, como a luz, ou a energia que é libertada, por exemplo sob a forma de calor. A quantidade de energia transformada depende da estrutura molecular dos reagentes. Num candeeiro a gás, o acetileno torna-se dióxido de carbono e água, libertando uma grande quantidade de energia como luz.Por outro lado, a adição de hidróxido de sódio ao ácido clorídrico, liberta uma menor quantidade de energia, como calor. Para estudar as mudanças energéticas, ajuda dividir o universo num sistema’que contém o processo que está a ser observado, e o ambiente’que é tudo o resto. O sistema pode ser aberto, o que significa que tanto a energia como a massa podem ser trocadas entre o sistema e o meio envolvente.O sistema pode ser fechado, onde apenas a energia é trocada, ou o sistema pode ser isolado, onde nem a massa nem a energia são trocadas.

6.1:

Princípios Básicos de Energia

As reações químicas, tais como as que ocorrem quando se acende um fósforo, envolvem alterações na energia, bem como na matéria.

As alterações químicas e as alterações energéticas que as acompanham são partes importantes da vida quotidiana. Os macronutrientes nos alimentos sofrem reações metabólicas que fornecem a energia para manter os corpos a funcionar. Uma variedade de combustíveis (gasolina, gás natural, carvão) é queimada para produzir energia para transporte, aquecimento, e produção de eletricidade. As reações químicas industriais usam quantidades enormes de energia para produzir matérias-primas (como ferro e alumínio). A energia é então utilizada para transformar essas matérias-primas em produtos úteis, tais como carros, arranha-céus, e pontes.

Mais de 90% da energia usada pelos humanos vem originalmente do sol. Todos os dias, o sol fornece à terra quase 10.000 vezes a quantidade de energia necessária para satisfazer todas as necessidades energéticas do mundo nesse dia. O desafio continua a ser encontrar formas de converter e armazenar a energia solar recebida, para que possa ser utilizada em reações ou processos químicos que sejam simultaneamente convenientes e não poluentes. Plantas e muitas bactérias capturam energia solar através da fotossíntese. Os humanos libertam a energia armazenada em plantas ao queimar madeira, carvão, petróleo, ou outros produtos vegetais tais como o etanol. Eles também usam esta energia para alimentar os seus corpos comendo alimentos que vêm diretamente de plantas.

Termoquímica

As idéias básicas de uma área importante da ciência relativa à quantidade de calor absorvido ou libertado durante alterações químicas e físicas — são chamadas de termoquímica. Os conceitos são amplamente utilizados em quase todos os domínios científicos e técnicos. Os cientistas alimentares usam a termoquímica para determinar o índice de energia dos alimentos. Os biólogos estudam a energia dos organismos vivos, como a combustão metabólica do açúcar em dióxido de carbono e água. As indústrias de petróleo, gás, e transportes, os fornecedores de energia renovável, e muitos outros, procuram encontrar melhores métodos para produzir energia para necessidades comerciais e pessoais. Os engenheiros esforçam-se por melhorar a eficiência energética, encontrar melhores formas de aquecer e arrefecer casas, refrigerar alimentos e bebidas, e satisfazer as necessidades de energia e refrigeração de computadores e eletrónica, entre outras aplicações. Compreender os princípios termoquímicos é essencial para químicos, físicos, biólogos, geólogos, todos os tipos de engenheiros, e praticamente qualquer pessoa que estuda ou faz qualquer tipo de ciência.

Energia

A energia pode ser definida como a capacidade de fornecer calor ou fazer trabalho. Um tipo de trabalho (w) é o processo de fazer com que a matéria se mova contra uma força oposta. Por exemplo, ao encher um pneu de bicicleta — a matéria é movida (o ar na bomba) contra a força oposta do ar que já se encontra no pneu.

Como a matéria, a energia vem em tipos diferentes. Um esquema classifica a energia em dois tipos: energia potencial, a energia que um objeto tem por causa da sua posição, composição, ou condição relativa, e energia cinética, a energia que um objeto possui por causa do seu movimento.

A água no topo de uma cascata ou barragem tem energia potencial por causa da sua posição; quando flui para baixo através de geradores, tem energia cinética que pode ser usada como trabalho e para produzir eletricidade em uma central hidrelétrica. Uma bateria tem energia potencial porque os produtos químicos no seu interior podem produzir eletricidade que pode realizar trabalho.

Este texto é adaptado de OpenStax Chemistry 2e, Section 5.1: Energy Basics.