Um químico realiza uma reaçåo em um béquer aberto para a atmosfera. Para prever a direçåo espontânea da reaçåo, qual potencial termodinâmico ele deve analisar?
A. Potencial de Gibbs ( G ).
B. Entalpia (H).
C. Potencial de Helmholtz (F).
D. Energia Interna (U).

Passo 1

O enunciado pergunta: “Um químico realiza uma reação em um béquer aberto para a atmosfera. Para prever a direção espontânea da reação, qual potencial termodinâmico ele deve analisar?”
Informações dadas:
  • A reação ocorre em um béquer aberto para a atmosfera (isto implica que a pressão externa é a pressão atmosférica, ou seja, pressão constante para o sistema).
  • Temos quatro alternativas:
    A. Potencial de Gibbs ( G).
    B. Entalpia ( H).
    C. Potencial de Helmholtz ( F).
    D. Energia Interna ( U).

Passo 2

O que significa “direção espontânea”?
  • Uma transformação espontânea é aquela que ocorre sem intervenção externa. A regra geral da espontaneidade vem da segunda lei da termodinâmica: a entropia total do universo (sistema + vizinhança) não diminui em processos espontâneos. Em símbolos,
\Delta S_{\text{universo}}=\Delta S_{\text{sistema}}+\Delta S_{\text{vizinhança}}\ge 0.ç
Vou usar essa regra porque ela é a base para relacionar entropia com potenciais termodinâmicos (isso é o que nos deixa saber “quem manda” sob certas condições).

Passo 3

Avaliação da vizinhança para processo a pressão constante.
  • Quando o sistema está à pressão constante (caso de um béquer aberto à atmosfera), o calor trocado a pressão constante é igual à variação da entalpia do sistema:
q_p=\Delta H_{\text{sistema}}.
  • A variação de entropia da vizinhança, que recebe ou cede calor q_p a temperatura T, é
\Delta S_{\text{vizinhança}}=-\frac{q_p}{T}=-\frac{\Delta H_{\text{sistema}}}{T}.ç
(negativo porque se o sistema recebe calor a vizinhança perde calor e vice-versa).

Passo 4

Combinar as equações para obter um critério em termos de grandezas do sistema.
  • Substituindo \Delta S_{\text{vizinhança}}ç na expressão de \Delta S_{\text{universo}}:
\Delta S_{\text{universo}}=\Delta S_{\text{sistema}}-\frac{\Delta H_{\text{sistema}}}{T}\ge 0.
  • Multiplicando por T (assumindo T>0, o que é normal):
T\Delta S_{\text{universo}}=T\Delta S_{\text{sistema}}-\Delta H_{\text{sistema}}\ge 0.
  • Reordenando os termos:
-\left(\Delta H_{\text{sistema}}-T\Delta S_{\text{sistema}}\right)\ge 0 \quad\Rightarrow\quad \Delta H_{\text{sistema}}-T\Delta S_{\text{sistema}}\le 0.

Passo 5

Introduzir o Potencial de Gibbs e conectar com a desigualdade.
  • O Potencial de Gibbs é definido por
G\equiv H-TS,
onde H é a entalpia e S é a entropia do sistema. Para variações a temperatura constante, a variação de G é
\Delta G=\Delta H - T\Delta S \quad(\text{para } T \text{ constante}).
  • Comparando com a desigualdade do passo anterior, vemos que
\Delta G \le 0 \quad\text{se e somente se}\quad \Delta S_{\text{universo}}\ge 0.
Logo, sob condições de temperatura constante e pressão constante (situação típica de um béquer aberto à atmosfera), o critério de espontaneidade é
\Delta G < 0 \\ \text{(processo espontâneo)},\qquad \Delta G = 0\\ \text{(equilíbrio)}.âí

Passo 6

Por que as outras alternativas não são as corretas para este caso prático?
  • Entalpia \,H: informa troca de calor a pressão constante ( \Delta H), mas não inclui o efeito da entropia. Um processo pode ser exotérmico ( \Delta H<0) e ainda assim não espontâneo se a entropia do sistema diminuir muito (ex.: formação de uma ordem maior). Portanto \Delta H isoladamente não decide espontaneidade em geral.
  • Potencial de Helmholtz \,F (também chamado A): definido por F=U-TS. Ele dá o critério de espontaneidade para sistemas à temperatura constante e volume constante: \Delta F\le 0 se T,V constantes. No béquer aberto o volume do sistema pode variar (não é confinamento rígido) e a condição chave é pressão constante, não volume constante. Então F não é a escolha apropriada aqui.
  • Energia interna \,U: é importante nas leis da termodinâmica, mas não fornece por si só um critério direto de espontaneidade nas condições usuais de laboratório (onde troca de calor e trabalho PV ocorrem). Sem as condições específicas (por exemplo, isolamento) \Delta U não diz se algo é espontâneo.

Passo 7

Resumo didático e conclusão prática (meu conselho amigo):
  • Em um béquer aberto a pressão atmosférica a pressão é constante; em laboratório a temperatura costuma ser mantida aproximadamente constante pelo ambiente. Nessa situação prática a grandeza que combina energia e entropia e que determina espontaneidade é o Potencial de Gibbs. Sempre que você vir “reação a pressão constante (especialmente em contato com atmosfera) e temperatura praticamente constante”, pense imediatamente em \,G e em \Delta G.

Resposta

A. Potencial de Gibbs ( G).

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