Explique e justifique todas as respostas das seguintes questões. Responda a cada item (
.) em forma separada. Escreva as respostas no computador ou à mão (neste caso, utilizando caneta escura) e depois poste as respostas no Moodle da disciplina em forma de um único documento PDF até as 23 h 59 min do dia de hoje (23/05/2022).
Se não tiver como compor o PDF diretamente do processador de texto (p.ex., Word) ou a partir de imagens (fotos), há aplicativos online para fazer isso. Por exemplo, o www.ilovepdf.com.
A transformação da água em gelo à temperatura
não é espontânea e é reversível. O que significa não ser espontânea? De que forma é reversível?
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A transformação da água em gelo à temperatura
Passo 1
Beleza, o enunciado pede pra explicar por que, à temperatura de
e pressão de 1 atm, a água não congela sozinha (isto é, não é espontânea) e por que esse “congelamento” é reversível.
Conteúdo envolvido: Termodinâmica — principalmente o critério de espontaneidade com a energia livre de Gibbs ( ) e o conceito de processo reversível.
O que vamos precisar:
• Saber o que é espontâneo em termodinâmica (quando ).
• Entender o que significa estar em equilíbrio ( ).
• Compreender o que é um processo reversível (sem produção de entropia interna).
Conteúdo envolvido: Termodinâmica — principalmente o critério de espontaneidade com a energia livre de Gibbs (
O que vamos precisar:
• Saber o que é espontâneo em termodinâmica (quando
• Entender o que significa estar em equilíbrio (
• Compreender o que é um processo reversível (sem produção de entropia interna).
Passo 2
O que significa “não ser espontâneo”?
- Critério de espontaneidade: num processo isobárico-isotérmico (p e T constantes), definemos
Aqui,
-
-
2. Se
3. No caso água ⇄ gelo a
- A entalpia de fusão da água é
- A entropia de fusão vale
- Logo, ao calcular
Portanto
significa que não há direção espontânea: o sistema está “empurrando” tanto pra congelar quanto pra derreter de forma perfeitamente equilibrada.
Passo 3
E o que é um processo “reversível”?
- Processo reversível, em termodinâmica, é aquele que a gente pode inverter ponto a ponto, de forma infinitesimal e sem gerar entropia interna.
- Na prática, isso só rola se o sistema estiver sempre em equilíbrio com o ambiente — ou seja,
em cada etapa infinitesimal. - Exatamente no ponto de fusão (
), a água e o gelo coexistem em equilíbrio. Se você retirasse calor muito lentamente, gelo “viraria” água; se jogasse calor fora muito lentamente, água “viraria” gelo, tudo sem produção extra de entropia. Isso é o que chamamos de processo reversível.
Resposta
Não ser espontâneo significa que, à temperatura de
e 1 atm, a variação da energia livre de Gibbs para o congelamento vale
, ou seja, não há “força” natural para empurrar só no sentido de congelar. O processo é reversível porque, estando nesse ponto de equilíbrio (
), você pode ir de água para gelo ou de gelo para água de forma infinitesimal, sem gerar entropia interna, bastando controlar o calor trocado lentamente.