c) O que são “critérios de espontaneidade e equilíbrio”?
Passo 1
O enunciado pede para explicarmos o que são os critérios de espontaneidade e de equilíbrio em termodinâmica. Vamos usar a Segunda Lei e os potenciais termodinâmicos (energia livre de Gibbs
e energia de Helmholtz
) para definir quando um processo ocorre espontaneamente e quando ele atinge equilíbrio.
Passo 2
A Segunda Lei diz que, para qualquer processo espontâneo num sistema isolado, a entropia do universo aumenta. Se chamarmos de
a variação de entropia do sistema mais vizinhança,
é o critério de espontaneidade. Quando não há mais variação de entropia,
o sistema está em equilíbrio.
Passo 3
Em muitos processos de laboratório o sistema troca calor com uma vizinhança a temperatura constante e pode trocar trabalho com o ambiente a pressão constante. Nessa condição, define-se a energia livre de Gibbs
onde
é entalpia e
a temperatura. Mostra-se então que
Logo, para processos a
constantes:
é o critério de espontaneidade, e
é o critério de equilíbrio.
Passo 4
Se o sistema estiver a temperatura constante mas em volume fixo, usa-se a energia livre de Helmholtz
onde
é energia interna. Nessa condição obtém-se
portanto para
constantes:
indica espontaneidade, e
indica equilíbrio.
Resposta
Critérios de espontaneidade:
Em sistema isolado:
.
A
constantes:
.
A
constantes:
.
Critérios de equilíbrio:
Em sistema isolado:
.
A
constantes:
.
A
constantes:
.