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:
Descrever a Lei Zero da Termodinâmica.
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:
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