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 de -10^circ C é espontânea e irreversível. Por que ocorre espontaneamente? Por que é irreversível?

Passo 1

Resumo do enunciado: a água líquida a –10 °C congela espontaneamente e esse processo é irreversível.
Conteúdo da matéria: Termodinâmica (energia livre de Gibbs, entalpia, entropia, segunda lei).
O que vamos precisar:
  • Definição de espontaneidade via ΔG e ΔS total.
  • Cálculo qualitativo de ΔG para água → gelo a –10 °C.
  • Entendimento de irreversibilidade pela 2.ª lei da Termodinâmica (ΔSuniverso>0) e pela necessidade de trabalho externo para inverter o processo.

Passo 2

Por que ocorre espontaneamente?
  1. Teoria: um processo é espontâneo se, à pressão constante, a variação de energia livre de Gibbs é negativa:
De
2) Para a água congelando:
- ΔH < 0 (libera calor ao se solidificar).
- ΔS < 0 (ordem aumenta, entropia do sistema cai).
3) Mesmo com ΔS negativa, a entalpia liberada é suficiente para que De seja menor que quando T=263 K (–10 °C).
Logo
ou seja, congelação espontânea.

Passo 3

Por que é irreversível?
  1. Segunda lei: para qualquer processo espontâneo isolado, a variação total de entropia do universo é positiva:
De 0ç
2) No congelamento:
- Sistema (água→gelo): ΔS<0.
- Vizinhança recebe calor, logo ΔS_vizinh >0 e em módulo maior que |ΔS_sis|.
Assim, ΔS_universo>0.
3) Para inverter sem aporte externo, precisaríamos retirar calor de um corpo mais frio (o gelo a –10 °C) e jogar num mais quente (a vizinhança), o que violaria a segunda lei.
4) Logo, sem trabalho externo (bomba de calor), não há como derreter o gelo à –10 °C; o processo é irreversível.

Resposta

A água congela espontaneamente a –10 °C porque fica negativo (entalpia liberada supera a queda de entropia). É irreversível pois a variação total de entropia do universo é positiva e não existe modo espontâneo de transferir calor de um corpo mais frio para um mais quente sem trabalho externo, logo não ocorre a inversão do processo sem intervenção.

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