Baldes de água quente e fria são colocados em ambiente externo congelante. Explique como
(a) ordem
(b) energia
(c) desordem
(d) entalpia

Passo 1

O enunciado apresenta dois baldes de água, um quente e outro frio, colocados num ambiente cuja temperatura está abaixo de zero. Precisamos usar conceitos de termodinâmica: ordem (organização molecular), energia (fluxo e conservação), desordem (entropia) e entalpia (conteúdo de calor a pressão constante). Vamos, em cada passo, definir o conceito e aplicá-lo ao caso dos baldes.

Passo 2

Ordem: quando a água esfria até congelar, as moléculas—que antes dançavam livremente no estado líquido—passam a formar a estrutura cristalina do gelo, num arranjo regular. Em outras palavras, o congelamento aumenta a organização interna do sistema, isto é, a ordem molecular cresce à medida que a água passa de líquido para sólido.

Passo 3

Energia: o calor sempre flui do corpo mais quente para o mais frio até atingirem equilíbrio térmico. Assim, o balde de água quente cede energia térmica ao ambiente gelado mais rapidamente, diminuindo sua energia interna U. O balde de água fria também perde energia, mas em taxa menor. A energia total do sistema (baldes + ambiente) conserva-se, segundo a primeira lei da termodinâmica.

Passo 4

Desordem (entropia): entropia é uma medida da desordem ou do número de microestados acessíveis. Ao ceder calor de<a Qrev a um ambiente à temperatura T, cada balde sofre variação de entropia
De<a S = integral de<a QrevT
O balde quente perde mais entropia (pois cede mais calor a uma temperatura relativamente alta), mas o ambiente frio ganha entropia maior ainda, de modo que a entropia total do universo aumenta em qualquer processo irreversível de resfriamento e congelamento.

Passo 5

Entalpia: entalpia é definida por
H = U + pV,
e, a pressão constante, a variação de entalpia De<a H é numericamente igual ao calor trocado Qp. Ao esfriar e congelar, cada balde libera calor latente de fusão além do calor sensível de resfriamento, gerando De<a H<0. Esse calor é absorvido pelo ambiente, caracterizando a diminuição de entalpia dos baldes.

Resposta

(a) Ao congelar, as moléculas de água passam de um arranjo fluido e desordenado para uma rede cristalina regular, aumentando a ordem.
(b) Energia térmica flui do balde quente e do balde frio para o ambiente até atingirem equilíbrio, obedecendo à conservação da energia interna.
(c) A entropia total (baldes + ambiente) aumenta, pois o calor cedido irreversivelmente aumenta a desordem do universo.
(d) A entalpia de cada balde diminui ( De<a H<0) durante o resfriamento e o congelamento, sendo esse valor igual ao calor liberado a pressão constante.

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