Descreva a Lei Zero da Termodinâmica.
68) Se colocarmos óleo e água em um recipiente e agitarmos a combinação, teremos inicialmente uma mistura que em análise macroscópica parece homogênea. Entretanto, deixando em repouso o sistema se organizará espontaneamente em um estado em que água e óleo ocupam regiões distintas. Portanto, aparentemente, nesse processo a entropia do sistema diminuiu! Explique.

Passo 1

Estamos diante de dois itens de Termodinâmica:
  1. Descrever a Lei Zero da Termodinâmica.
  2. Explicar por que, ao deixarmos óleo e água “se separarem” depois de agitá-los (situação em que aparentemente a entropia do sistema diminui), isso não viola a Segunda Lei.

Passo 2

A Lei Zero trata de equilíbrio térmico e fundamenta a definição de temperatura. Ela diz que, se um corpo A está em equilíbrio térmico com um corpo B e B está em equilíbrio térmico com um corpo C, então A estará em equilíbrio térmico com C. Graças a isso podemos introduzir uma propriedade chamada temperatura, que é a mesma em todos os sistemas em equilíbrio térmico entre si.

Passo 3

No caso do óleo e da água, ao agitarmos formamos uma “mistura” que macroscopicamente parece homogênea, mas microscopicamente ainda há domínios de óleo e de água. Quando deixamos em repouso, ocorre separação espontânea em duas fases distintas, diminuindo a desordem de configuração do sistema — o que sugere ΔS<0 apenas para o sistema óleo+água.

Passo 4

Essa “diminuição de entropia” do sistema isolado não é a entropia total da parte relevante do Universo. Para julgar espontaneidade precisamos da entropia do sistema (óleo+água) mais a do ambiente, ou seja, da entropia total do Universo:
\Delta S_{\text{Universo}} = \Delta S_{\text{Sistema}} + \Delta S_{\text{Ambiente}}.

Passo 5

A separação óleo–água reduz a área de interface e, portanto, libera energia na forma de calor para o ambiente. Esse calor Q liberado satisfaz:
\Delta S_{\text{Ambiente}} = \frac{Q}{T} > \bigl|\Delta S_{\text{Sistema}}\bigr|,
de modo que
\Delta S_{\text{Universo}} > 0.
Ou seja, mesmo que \Delta S_{\text{Sistema}}<0, a entropia do ambiente aumenta ainda mais, garantindo que a Segunda Lei seja respeitada.

Resposta

(a) A Lei Zero afirma que se A está em equilíbrio térmico com B e B com C, então A está em equilíbrio térmico com C; com isso definimos a temperatura.
(b) A separação espontânea de óleo e água reduz a entropia do sistema, mas libera calor para o ambiente, produzindo um aumento de entropia ambiente maior que a diminuição do sistema, de modo que
\Delta S_{\text{Universo}}=\Delta S_{\text{Sistema}}+\Delta S_{\text{Ambiente}}>0,
em concordância com a Segunda Lei.

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