Fundamentos de f­sico qu­mica gilbert castellan

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  • FUNDAMENTOS Gilbert.Castellan_^

    ISICO-QUIMI

    vch.m. 541.1 C348f I Autor: Castellan, Gilbert Ttulo: Fundamentos de fisico-quimica.

    10033160 1 UFS BICAMPI

    Ac I14354

    4

  • I Sumrio

    l Alguns Conceitos Qumicos Fundamentais

    1.1 Introduo 1.2 Os tipos de matria 1.3 Os tipos de substncias 1.4 Massas atmica e molar 1.5 Smbolos e frmulas 1.6 O mol 1.7 EquaOes qumicas 1.8 O Sistema Internacional de Unidades - SI

    2 Propriedades Empricas dos Gases

    2.1 Lei de Boyle e lei de Charles 8 2.2 Massa molecular de um gs - Princpio de Avogadro e a lei dos gases ideais 10, 2.3 A equao de estado - Propriedades extensiva e intensiva 14 2.4 Propriedades do gs ideal 15 25 Determinao das massas molares dos gases e substncias volteis 17 2.6 Misturas - Variveis de composio 19 2.7 Equao de estado de uma mistura gasosa - Lei de Dalton 20 2.8 O conceito de presso parcial 21 2.9 A lei de distribuio baromtrica 23

    Questes 29 Problemas 29

    3 Gases Reais 34

    3.1 Desvios do comportamento ideal 34 3.2 Modificando a equao do gs ideal - A equao de Van der Waals 35 3.3 Implicaes da equao de Van der Waals 37 3.4 Isotermas de um gs real 41 3.5 Continuidade dos estados 42 3.6 Isotermas da equao de Van der Waals 43 3.7 O estado crtico 44 3.8 A lei dos estados correspondentes 47 3.9 Outras equaes de estado 48

    Questes 50 Problemas 50

  • XIV / SUMRIO

    4 A Estrutura dos Gases 5 3

    4.1 Introduo 53 4.2 Teoria cintica dos gases - Hipteses fundamentais 53 4.3 Clculos da presso de um gs 54 4.4 Lei das presses parciais de Dalton 59 4.5 Distribuies e funes distribuio 59 4.6 A distribuio de Maxwell 60

    * 4.7 Suplemento matemtico 65 4.8 Avaliao de A e 0 69 4.9 Clculo de valores mdios usando a distribuio de Maxwell 71

    * 4.10 A distribuio de Maxwell como uma distribuio de energia 73 4.11 Valores mdios das componentes individuais - Kquipartio da energia 75 4.12 Kquipart io da energia e quantiza 77

    * 4.13 Clculo da capacidade calorfica de vibrao 81 * 4.14 A lei de distribuio de Maxwcll-Boltzmann 84 * 4.15 Verificao experimental da lei de distribuio de Maxwell 85

    Questes 86 Problemas 87

    S Algumas Propriedades dos Lquidos e Slidos 89

    5.1 Fases condensadas 89 5.2 Coeficientes de dilatao trmica e de compressibilidade 90 5.3 Calores de fuso Vaporizao e sublimao 91 5.4 Presso de vapor 92 5.5 Outras propriedades dos lquidos 94 5.6 Reviso das diferenas estruturais entre slidos, lquidos e gases 94

    Questes 94 Problemas 94

    6 Os Princpios da Termodinmica: Generalidades e o Princpio Zero 97

    6.1 Tipos de energia e o primeiro princpio da termodinmica 97 6.2 Restries na converso da energia de uma forma em outra 98 6.3 O segundo princpio da termodinmica 98 6.4 O princpio zero da termodinmica 99 6.5 Termometria 101

    Questes 104 Problemas 104

    7 A Energia e o Primeiro Princpio da Termodinmica - Termoqumica 106

    7.1 Termos termodinmicos - Definies 106 7.2 Trabalho e calor 107 7.3 Trabalho de expanso 109 7.4 Trabalho de compresso 112 7.5 Quantidades mxima e mnima de trabalho 113 7.6 Transformaes reversveis e irreversveis 115

  • SUMRIO /XV

    7.7 A energia e o primeiro princpio da termodinmica 117 7.8 Propriedades da energia 119 7.9 Um pouco de matemtica - Diferenciais exatas e inexatas 119 7.10 Variaes na energia correlacionadas com as variaes nas propriedades do sistema 120 7.11 Mudanas de estado a volume constante 121 7.12 Medida de (d//d V)T - Experincia de Joule 122 7.13 Mudanas de estado a presso constante 124 7.14 Relao entre C_ e Cv 126 7.15 Medida de (dH/dp)T - Experincia de Joule-Thomson 128 7.16 Mudanas de estado adiabticas 131 7.17 Uma nota sobre a resoluo de problemas 133 7.18 Aplicao do primeiro princpio da termodinmica a reaes qumicas. O calor de reao 135 7.19 A reao de formao 136 7.20 Valores convencionais das entalpias molares 138 7.21 A determinao dos calores de formao 139 7.22 Sequncia de reaes - Lei de Hess 140

    * 7.23 Calores de soluo e diluio 142 7.24 Calores de reao a volume constante 142 7.25 Dependncia do calor de reao com a temperatura 144 7.26 Entalpias de ligao 147

    * 7.27 Medidas calorimtricas 149 Questes 150 Problemas 151

    8 Introduo ao Segundo Princpio da Termodinmica 160

    8.1 Observaes gerais 160 8.2 O ciclo de Carnot- 160 8.3 O segundo princpio da termodinmica 161 8.4 Caractersticas de um ciclo reversvel 162 8.5 Um moto-contnuo de segunda espcie 162 8.6 Rendimento das mquinas trmicas 164 8.7 Outra mquina impossvel 164 8.8 Escala de temperatura termodinmica 167 8.9 Retrospecto 168 8.10 Ciclo de Carnot com um gs ideal 169 8.11 O refrigerador de Carnot 170 8.12 A bomba de calor 171 8.13 Definio de entropia 172 8.14 Demonstrao geral 173 8.15 A desigualdade de Clausius 175 8.16 Concluso 176

    Questes 176 Problemas 177

    9 Propriedades da Entropia e o Terceiro Princpio da Termodinmica 180

    9.1 Propriedades da entropia 180 9.2 Condies de estabilidade trmica e mecnica de um sistema 180 9.3 Variaes de entropia em transformaes isotrmicas 181 9.4 Um pouco de matemtica. Mais propriedades das diferenciais exatas. A regra cclica 183 9.5 Relao entre as variaes de entropia e as variaes de outras variveis de estado 186 9.6 A entropia como uma funo da temperatura e do volume 187

  • XVI / SUMRIO

    9.7 A entropia como uma funo da temperatura e da presso 190 9.8 A dependncia da entropia com a temperatura 192 9.9 Variaes de entropia no gs ideal 192 9.10 O terceiro princpio da termodinmica 195 9.11 Variaes de entropia nas reaes qumicas 199 9.12 Kntropia e probabilidade 200 9.13 Forma geral para o mega 204 9.14 A distribuio de energia 205 9.15 A entropia do processo de mistura e as excees ao terceiro princpio da termodinmica 208

    Questes 210 Problemas 210

    10 Espontaneidade e Equilbrio 215

    10.1 As condies gerais de equilbrio e de espontaneidade 215 10.2 Condies dc equilbrio e de espontaneidade sob restries 216 10.3 Retrospecto 219 104 Foras responsveis pelas transformaes naturais 220 10.5 As equaes fundamentais da termodinmica 221 10.6 A equao de estado termodinmica 222 10.7 As propriedades de A 224 10.8 As propriedades de G 226 10.9 A energia de Gibbs de gases reais 228 10.10 A dependncia da energia de Gibbs com a temperatura 229

    Questes 230 Problemas 230

    11 Sistemas de Composio Varivel - Equilbrio Qumico 234

    11.1 A equao fundamental 234 11.2 As propriedades de 235 11.3 A energia de Gibbs de uma mistura 236 11.4 O potencial qumico de um gs ideal puro 237 11.5 Potencial qumico de um gs ideal em uma mistura de gases ideais 238 11.6 Energia de Gibbs e entropia do processo de mistura 239 11.7 Equilbrio qumico numa mistura 243 11.8 O comportamento geral de G como uma funo de ( 245 11.9 Equilbrio qumico numa mistura de gases ideais 246 11.10 Equilbrio qumico numa mistura de gases reais 249 11.11 As constantes de equilbrio Kx e A . 249 11.12 Energia de Gibbs padro de formao 250 11.13 A dependncia da constante de equilbrio com a temperatura 253 11.14 Equilbrio entre gases ideais e fases condensadas puras 256

    * 11.15 O princpio de LeChatelier 258 11.16 Constantes de equilbrio a partir de medidas calorimtricas. O terceiro princpio

    e o seu contexto histrico 260 * 11.17 Reaes qumicas e a entropia do universo 261 * 11.18 Reaes acopladas 262

    11.19 Dependncia das outras funes termodinmicas com a composio 263 11.20 As quantidades parciais molares e as regras de edio 264 11.21 A equao de Gibbs-Duhem 266 11.22 Quantidades parciais molares em misturas de gases ideais 267

  • SUMRIO / XVII

    * 11.23 Calor diferencial de soluo 268 Questes 268 Problemas 268

    12 Equilbrio de Fases em Sistemas Simples - A Regra das Fases 277

    12.1 A condio de equilbrio 277 12.2 Estabilidade das fases formadas por uma substncia pura 277 12.3 Variao das curvas tt = f (T) com a presso 278 12.4 A equao de Clapeyron 280 123 O diagrama de fase 284 12.6 A integrao da equao de Clapeyron 286 12.7 Efeito da presso sobre a presso de vapor 288 12.8 A regra das fases 289 12.9 O problema dos componentes 292

    Questes 293 Problemas 294

    13 Solues I. A Soluo Ideal e as Propriedades Coligativas 297

    13.1 Tipos de solues 297 13.2 Definio de soluo ideal 297 13.3 A forma analtica do potencial qumico na soluo lquida ideal 300 13.4 Potencial qumico de um soluto em uma soluo binria ideal - Aplicao da equao de

    Gibbs-Duhem, 300 133 Propriedades coligativas 301 13.6 O abaixamento crioscpico 303

    * 13.7 Solubilidade 306 13.8 Elevao ebulioscpica 308 13.9 Presso osmtica 309

    Questes 313 Problemas 313

    14 Solues U. Mais de um Componente Voltil - A Soluo Diluda Ideal 316

    14.1 Caractersticas gerais da soluo ideal 316 14.2 O potencial qumico em solues ideais 317 14.3 Solues binrias 319 14.4 A regra da alavanca 320 143 Mudanas de estado quando se reduz a presso'isotermicamente 321 14.6 Diagramas temperatura-composio 322 14.7 Mudanas de estado com o aumento da temperatura 323 14.8 Destilao fracionada 324 14.9 Azetropos 327 14.10 A soluo diluda ideal 329 14.11 Os potenciais qumicos na soluo diluda ideal 331 14.12 A lei de Henry e a solubilidade dos gases 334 14.13 Distribuio de um soluto entre dois solventes 336

  • XVIII / SUMRIO

    14.14 Equilbrio qumico na soluo ideal 336 QuestOes 338 Problemas 339

    15 Equilbrio entre Fases Condensadas 342

    15.1 Equilbrio entre fases-lquidas 342 15.2 Destilao de lquidos parcialmente miscveis e imiscveis 345 15.3 Equilbrio slido-lquido - O diagrama euttico simples 348 15.4 Diagramas dos pontos de solidificao com formao de compostos 353 15.5 Compostos que possuem pontos de fuso incongruentes 353

    * 15.6 Miscibilidade no estado slido 357 * 15.7 Elevao do ponto de solidificao 357 * 15.8 Miscibil idade parcial no estado slido 358 * 15.9 Equilbrio gs-slido. Presso de vapor d