Segunda lei da termodinâmica

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Teoria

Fala aí! Vamos conversar sobre a segunda lei da termodinâmica? Partiu!

Mas pra quê uma segunda lei? O problema é o seguinte, a Primeira Lei é insuficiente se a gente precisa determinar se um processo é viável ou não. Quer ver só?

Se a gente coloca uma bola em cima de uma montanha e deixar ela rolar para baixo, teremos conservação de energia, onde a energia potencial vai se transformar em energia cinética, beleza?

Mas e se a bola subir, sem a ação de nenhuma força que faça isso, conseguiremos usar também a conservação de energia? Sim! Mas isso é possível? Não!

É por isso que precisamos da Segunda lei da termodinâmica! Ela foi escrita de várias formas, uma delas, enunciada por Clausius, diz que:

"Calor jamais flui espontaneamente de um reservatório de menor temperatura para um de maior temperatura."

Mas como estamos trabalhando com uma aplicação físico-química da termodinâmica, vamos trabalhar com uma outra forma de enunciar ela:

"Processos irreversíveis aumentam a entropia do universo"

Opaaa! Para tudo!! Apareceram alguns conceito que precisamos ver com calma! Porque eles vão nos ajudar a entender essa lei, show?

Processos irreversíveis

Vamos pensar em dois objetos que estão diferentes temperatura, beleza? Sabemos que eles em contato, com o passar de algum tempo vão estar com temperaturas iguais… Mas e depois de mais um tempo, de forma espontânea, eles podem voltar ao estado inicial e ficarem com temperaturas diferentes?

Não! Isso não vai acontecer! Então esse é um processo irreversível, onde o processo inverso não se verifica, ok?

A maioria dos processos cotidianos são irreversíveis!

Entropia

Vamos começar usando a nossa imaginação, ok?

Vamos aquecer um objeto metálico, o que vai acontecer com o estado das moléculas? Quanto mais quente for ficando mais vai aumentar o movimento molecular, ou seja, vai aumentar a desordem.

A grandeza que mede esse nível de desordem é exatamente a Entropia.

Matematicamente a entropia é uma função de estado, representada pela seguinte equação:

d S = δ q r e v T

Onde esse δ q r e v é uma quantidade infinitesimal de calor, envolvida num processo reversível e o T a temperatura, show de bola?

Integrando essa equação, ficaremos assim olha só:

Δ S = q r e v T

A variação da entropia é igual ao calor, no processo reversível, dividido pela temperatura, tranquilo?

Segunda lei da termodinâmica

Agora sim, volta a segunda lei, o que então quer dizer ela pra gente?

Basicamente é o seguinte, se a gente tiver em um sistema isolado e acontecer uma transformação espontânea, em conjunto com a transformação, haverá um aumento da entropia do sistema.

A grande conclusão da segunda lei da termodinâmica se resume em avaliar o sinal da entropia do nosso sistema, olha só:

Δ S > 0 Se o processo é irreversível e espontâneo.

Δ S = 0 Se o processo é reversível.

Δ S < 0 Não é permitido em um processo que ocorre em sistema isolado.

E aí? Show de bola?

Partiu reforçar nosso conhecimento com questõezinhas? Com certeza!

Processos irreversíveis

Entropia

Segunda lei da termodinâmica

Exercícios Resolvidos

Exercício Resolvido #1

Assinale a alternativa a seguir que não é compatível com a segunda lei da termodinâmica.

  1. A variação de entropia de qualquer sistema que sofre uma transformação termodinâmica é positiva ou nula.
  2. A temperatura de zero absoluto é inatingível.
  3. Um refrigerador com a porta aberta jamais conseguirá por si só resfriar uma cozinha fechada.
  4. Nem todo calor produzido no motor a combustão de um automóvel é convertido em trabalho mecânico.
  5. O ar de uma sala de aula jamais se concentrará completamente e espontaneamente em uma pequena fração do volume disponível.

Passo 1

Fala aí! Partiu arrasar nesse assunto? Pra isso vamos de questãozinha teórica!

Como nosso exercício tem opções, vamos por eliminação, show?

Bom, ele quer saber qual das opções não corresponde a segunda lei da termodinâmica. Vamos começar pela letra a! Ela diz pra gente que a variação de entropia de qualquer sistema que sofre uma transformação termodinâmica é positiva ou nula, mas se a gente lembrar lá de um dos enunciados da segunda lei ele diz que: Um sistema isolado tende sempre a aumentar sua entropia.

Sendo assim essa opção está incorreta!

Mas já achamos a resposta? Simmm!

Show! Arrasamos!!

Resposta

Letra a.

Exercício Resolvido #2

Marque, dentre os processos a seguir quais apresentam variação positiva de entropia para o sistema:

( ) cristalização de um sólido a partir da solução.

( ) evaporação do metanol.

( ) precipitação de A g C l a partir de uma solução aquosa de A g N O 3 e N a C l .

( ) C a C O 3 ( S ) + 2 H C l ( a q )   →   C a C l 2 ( a q ) + H 2 O ( l ) + C O 2 ( g ) .

( ) fusão do sódio metálico.

Passo 1

Fala aí! Partiu mais uma questão pra aprimorar nossos conhecimentos!

O enunciado pede que a gente avalie cada processo e identifique os que têm variação de entropia positiva. Antes vamos lembrar o seguinte: A entropia mede o grau de desordem das moléculas, então quanto mais a desordem maior será a entropia, beleza?

Agora estamos prontos! Vamos lá!

Passo 2

Na primeira ele fala de cristalização de um sólido a partir de uma solução, ou seja ocorre mudança de um sistema menos ordenado para um onde as moléculas estão mais organizadas, então esse processo não tem variação de entropia positiva.

Passo 3

O segundo fala em evaporação do metanol, o estado vapor é o estado físico mais desordenado que temos, então essa variação de entropia é sim positiva!

Passo 4

O terceiro fala sobre precipitação de A g C l a partir de uma solução aquosa de A g N O 3 e N a C l , se estamos falando de precipitação de uma solução estamos indo de um estado menos ordenado para um mais ordenado, então a nossa variação de entropia não é positiva!

Passo 5

O quarto nos apresenta uma equação:

C a C O 3 ( S ) + 2 H C l ( a q )   →   C a C l 2 ( a q ) + H 2 O ( l ) + C O 2 ( g )

Podemos observar os estados físicos dos reagentes e dos produtos, vemos que ele tende a desordem, então a variação de entropia é positiva!

Passo 6

E por último, pra acabar! Ele fala da fusão do sódio metálico, bom temos que lembrar que há fusão é a transformação de sólido em líquido, então nossa variação de entropia é positiva!

Show! Terminamos!

Resposta

( X ) evaporação do metanol.

( X ) C a C O 3 ( S ) + 2 H C l ( a q )   →   C a C l 2 ( a q ) + H 2 O ( l ) + C O 2 ( g )

( X ) fusão do sódio metálico.

Exercício Resolvido #3

Calcule a variação de entropia, Δ S v a p o r , a 100 ° C quando 1   m o l de água for convertido em 1   m o l de vapor a 1   a t m de pressão. Dados que: Δ H v a p o r = 40,67   k J / m o l e T e = 373   K .

Passo 1

Fala aí! Partiu mais uma questão? Show!

O enunciado pede pra gente a variação de entropia para esse processo. Vamos começar anotando nossos dados, beleza? Vamos lá!

n = 1   m o l Δ H v a p o r = 40,67   k J / m o l T e = 373   K

Vamos lembrar que a variação de entropia pode ser dada por:

Δ S = Δ H T

Vamos calcular!

Passo 2

Temos todos os dados então vamos substituir na equação, só não pode esquecer que a entalpia está dada em k J e precisamos ajustar:

Δ S = 1   .   40,67 373   .   1000   J / K 1   k J / K

Δ S = 109   J / K

Prontinho! Uhul!!

Resposta

Δ S = 109   J / K

Exercício Resolvido #4

Um peixinho de aquário nada em uma água a 20 ° C . Durante um certo período, o peixe transfere 120   J para a água, como resultado do seu metabolismo. Qual a variação da entropia da água?

Passo 1

Fala aí! Partiu mais uma questão? Show!

O enunciado pede pra gente a variação de entropia para o processo do peixinho. Vamos começar anotando nossos dados, beleza? Vamos lá!

Q = 120   J T = 20 ° C   → 293   K

Vamos lembrar que a variação de entropia pode ser dada por:

Δ S = Q T

Vamos calcular!

Passo 2

Temos todos os dados então vamos substituir na equação:

Δ S = 120 293

Δ S = 0,41   J / K

Tranquilo?

Show de bola!

Resposta

Δ S = 0,41   J / K

Exercício Resolvido #5

Estime a quantidade de calor trocada quando ocorre a vaporização do bromo, sabendo que seu ponto de ebulição normal é de 59,2   ° C . E que a variação de entropia do sistema neste processo é de 85   J / K   .   m o l .

Passo 1

Fala aí! Vamos resolver isso aí!

O enunciado pede pra gente a quantidade de calor para esse processo. Vamos começar anotando nossos dados, beleza? Vamos lá!

Δ S = 85   J / K   .   m o l T = 59,2   ° C   → 332,2   K

Vamos lembrar que a variação de entropia pode ser dada por:

Δ S = Q T

Então podemos encontrar o calor por aí!

Passo 2

Temos todos os dados então vamos substituir na equação:

Δ S = Q T

Q = Δ S   .   T

Q = 85   .   332,2

Q = 28237   J / m o l

ou

Q = 28,24   k J / m o l

Show de bola!

Resposta

Q = 28,24   k J / m o l

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