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 (
).
B. Entalpia (H).
C. Potencial de Helmholtz (F).
D. Energia Interna (U).
A. Potencial de Gibbs (
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:
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 ().
B. Entalpia ().
C. Potencial de Helmholtz ().
D. Energia Interna ().
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,
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:
- A variação de entropia da vizinhança, que recebe ou cede calor
a temperatura , é
(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
na expressão de :
- Multiplicando por
(assumindo , o que é normal):
- Reordenando os termos:
Passo 5
Introduzir o Potencial de Gibbs e conectar com a desigualdade.
- O Potencial de Gibbs é definido por
onde
é a entalpia e
é a entropia do sistema. Para variações a temperatura constante, a variação de
é
- Comparando com a desigualdade do passo anterior, vemos que
Logo, sob condições de temperatura constante e pressão constante (situação típica de um béquer aberto à atmosfera), o critério de espontaneidade é
Passo 6
Por que as outras alternativas não são as corretas para este caso prático?
- Entalpia
: informa troca de calor a pressão constante ( ), mas não inclui o efeito da entropia. Um processo pode ser exotérmico ( ) e ainda assim não espontâneo se a entropia do sistema diminuir muito (ex.: formação de uma ordem maior). Portanto isoladamente não decide espontaneidade em geral. - Potencial de Helmholtz
(também chamado ): definido por . Ele dá o critério de espontaneidade para sistemas à temperatura constante e volume constante: se 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 não é a escolha apropriada aqui. - Energia interna
: 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) 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
e em .
Resposta
A. Potencial de Gibbs (
).