Exercícios Resolvidos de Variação da Entropia e Segunda Lei da Termodinâmica

UFRJ, Física 2, P1 - 2013.2, Questão ME7

Colocamos uma forma cheia d’água à temperatura ambiente T = 25 ° C dentro do congelador, que está a uma temperatura T = - 10 ° C .

Considere as seguintes afirmativas sobre tal processo:

  1. O equilíbrio térmico será necessariamente atingido a 0 ° C .
  2. Neste caso, o congelamento da água é um processo irreversível.
  3. Durante a transição de fase, a temperatura da água não vai variar.

As afirmativas CORRETAS são:

  1. Apenas I.
  2. Apenas II.
  3. Apenas III.
  4. Apenas I e II.
  5. Apenas I e III.
  6. Apenas II e III.

Passo 1

Vamos analisar as afirmativas, pra variar:

Afirmativa I: O equilíbrio térmico será necessariamente atingido a 0 ° C .

Falso, pois a água, após congelar a 0 ° C , pode baixar sua temperatura até - 10 ° C , permanecendo em equilíbrio térmico com o congelador.

MOSTRAR SOLUÇÃO COMPLETA

Passo 2

Afirmativa II: Neste caso, o congelamento da água é um processo irreversível.

Para saber isso, vamos analisar a variação de entropia total:

Δ S t o t a l = Δ S s i s t e m a + Δ S v i z i n h a n ç a

Nesse caso, o sistema é a água e a vizinhança é o congelador.

Sabemos, pela conservação de energia, que o calor perdido pela água é absorvido pelo congelador:

Q s i s t = - Q v i z

Mas a temperatura da água no congelamento é 0 ° C e a temperatura do congelador é - 10 ° C .

Logo:

T s i s t > T v i z

Substituindo:

Δ S t o t = Δ S s i s t + Δ S v i z

Δ S t o t = Q s i s t T s i s t + Q v i z T v i z

Substituindo Q v i z = - Q s i s t :

Δ S t o t = Q s i s t 1 T s i s t - 1 T v i z

Como a água perde calor, então Q s i s t < 0 .

E como T s i s t > T v i z , então:

1 T s i s t - 1 T v i z < 0

Logo:

Δ S t o t > 0

Então o processo é irreversível!

Afirmativa verdadeira.

Passo 3

Afirmativa III: Durante a transição de fase, a temperatura da água não vai variar.

Sabemos que, na mudança de fase, não há variação de temperatura (calor latente).

Portanto, a afirmativa é verdadeira.

Resposta

Alternativa (f).

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