Explique e justifique todas as respostas das seguintes questões. Responda a cada item ( a, b, c.) 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).
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A transformação da água em gelo à temperatura 0^circ C não é espontânea e é reversível. O que significa não ser espontânea? De que forma é reversível?

Passo 1

Beleza, o enunciado pede pra explicar por que, à temperatura de 0^circC 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 ( De) e o conceito de processo reversível.
O que vamos precisar:
• Saber o que é espontâneo em termodinâmica (quando De).
• Entender o que significa estar em equilíbrio ( De).
• Compreender o que é um processo reversível (sem produção de entropia interna).

Passo 2

O que significa “não ser espontâneo”?
  1. Critério de espontaneidade: num processo isobárico-isotérmico (p e T constantes), define­mos
De
Aqui,
- De é a variação de entalpia (calor trocado a pressão constante).
- De é a variação de entropia (medida da desordem).
2. Se De, o processo ocorre “sozinho”, sem ajuda externa (espontâneo). Se De0, ele não acontece a menos que você dê um empurrão (não espontâneo). Se De, o sistema está em equilíbrio e não há “força” dirigindo o processo num sentido nem no outro.
3. No caso água ⇄ gelo a 0^circC, sabemos que 0^circC é a temperatura de fusão/congelamento da água. Nessa condição:
- A entalpia de fusão da água é De0, mas se considerarmos o processo de congelamento ela troca de sinal.
- A entropia de fusão vale De.
- Logo, ao calcular De para congelar exatamente a Tm=273,15,K, dá
De
Portanto De 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”?
  1. Processo reversível, em termodinâmica, é aquele que a gente pode inverter ponto a ponto, de forma infinitesimal e sem gerar entropia interna.
  2. Na prática, isso só rola se o sistema estiver sempre em equilíbrio com o ambiente — ou seja, De em cada etapa infinitesimal.
  3. Exatamente no ponto de fusão ( 0^circC), 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 0^circC e 1 atm, a variação da energia livre de Gibbs para o congelamento vale De, ou seja, não há “força” natural para empurrar só no sentido de congelar. O processo é reversível porque, estando nesse ponto de equilíbrio ( De), 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.

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