Como é descrita e quais são as implicações da
Lei da Termodinâmica. Explique esta lei em detalhes inclusive sua influência sobre as medidas da entropia e os critérios para a espontaneidade de reações químicas.
Passo 1
O enunciado pede para descrever a Segunda Lei da Termodinâmica, suas implicações sobre o conceito de entropia e como ela dita os critérios de espontaneidade em reações químicas. Para isso vamos precisar:
- Das formulações clássicas (Clausius e Kelvin-Planck) da Segunda Lei.
- Da definição termodinâmica e estatística de entropia.
- Do conceito de espontaneidade em termos de variação de entropia do universo e de energia livre de Gibbs.
Passo 2
A Segunda Lei pode ser enunciada de duas maneiras equivalentes:
- Clausius: “É impossível fazer um processo cujo único resultado seja transferir calor de um corpo mais frio para um corpo mais quente sem a realização de trabalho externo.”
- Kelvin-Planck: “É impossível construir uma máquina térmica que, operando em ciclo, converta integralmente todo o calor absorvido de uma única fonte térmica em trabalho.”
Esses enunciados mostram que existe uma direção privilegiada para trocas de calor e conversão em trabalho, e que processos 100 % reversíveis são ideais inatingíveis.
Passo 3
Para quantificar essa “direção” definimos a entropia de duas formas:
- Termodinâmica: em um processo reversível
e, para uma variação finita entre estados 1 e 2 de um sistema
- Estatística (Boltzmann): para um sistema isolado com
microestados acessíveis
onde
é a constante de Boltzmann.
Passo 4
A Segunda Lei impõe que, para um processo real (irreversível)
Isto significa:
- Espontaneidade: todo processo espontâneo faz aumentar a entropia total do universo.
- Irreversibilidade: se
, o processo é irreversível; se , é apenas ideal e reversível. - Eficiência de máquinas térmicas: a eficiência máxima de um ciclo entre fonte quente
e fria é
jamais alcançando
para
.
Passo 5
Em reações químicas a espontaneidade pode ser avaliada via entropia do universo ou via energia livre de Gibbs, que é mais prática em condição de
e
constantes:
A variação
está diretamente relacionada à entropia do universo:
Logo, numa reação a
constantes:
- Se
, então e a reação é espontânea. - Se
, a reação não é espontânea. - Se
, sistema em equilíbrio.
Resposta
A Segunda Lei da Termodinâmica define uma direção privilegiada para processos energéticos e caloríficos, afirmando que a entropia total do universo nunca diminui. Em termos práticos, ela:
- Proíbe a transferência espontânea de calor de corpos frios para quentes sem trabalho externo (Clausius) e a conversão integral de calor em trabalho (Kelvin-Planck).
- Introduz a entropia
como medida de irreversibilidade e do número de microestados . - Estabelece que processos espontâneos satisfazem
. - Dá origem ao critério de espontaneidade em química através da energia livre de Gibbs,
, exigindo para reações espontâneas em condições de temperatura e pressão constantes.