Processos reversíveis e irreversíveis

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Processos reversíveis e irreversíveis
 
1)De acordo com a Primeira Lei da Termodinâmica, a variação da energia interna de um sistema termodinâmico equivale à diferença entre quantidade de calor absorvido pelo sistema e o trabalho por ele realizado. Assim, ela se ocupa daquilo que é necessário para que trabalho seja transformado em calor aplicando o princípio da conservação de energia.
Sabendo disso, considere que um gás ideal absorve 90 cal de energia na forma de calor e expande-se, sofrendo uma transformação e realizando um trabalho de 250J. Considerando que 1 cal = 4,2J, a variação da energia interna do gás (ΔU) é, em J:
R: B. 128.
A Primeira Lei da Termodinâmica é baseada no fundamento de que o calor (Q) resulta da soma de trabalho (W) com a variação da energia interna (ΔU) e é expressa pela equação Q = W + ΔU. Diante disso, a variação da energia interna de um gás ideal pode ser obtida por meio dessa equação, uma vez que a quantidade de energia na forma de calor obtida é conhecida (90 cal), e o trabalho realizado também (250J).
Inicialmente, é necessário converter a quantidade de energia na forma de calor (cal) para Joule (J). Como 1 cal = 4,2J, 90 cal correspondem a 378J (90 × 4,2 = 378). A partir disso, é possível aplicar esses dados na equação da Primeira Lei da Termodinâmica para obter a variação da energia interna do gás (ΔU):
Q = W + ΔU
378J = 250J + ΔU
ΔU = 378J – 250J
ΔU = 128J
Assim, a variação da energia interna do gás ideal em questão é igual a 128J.
2)A grandeza da energia livre é a energia da qual o processo dispõe para realizar trabalho útil a temperatura e pressão constantes e é simbolizada por ∆G. É também denominada energia livre de Gibbs, pois foi proposta pelo físico, matemático e químico norte-americano Josiah Willard Gibbs (1839-​​​​1903), com a finalidade de avaliar a espontaneidade do sistema.
A seguir, estão elencados três valores gerais da energia livre de Gibbs (∆G) para que você os associe corretamente em relação à espontaneidade de reação:
I. ∆G = 0
II. ∆G < 0
III. ∆G > 0
( ) Indica que o sistema está em equilíbrio e não há variação global das propriedades do sistema.
( ) Indica que a reação no sentido dos produtos para os reagentes é espontânea, isto é, no sentido inverso.
( ) Indica que a reação é espontânea no sentido dos regentes para os produtos, isto é, no sentido direto.
Assinale a alternativa que contém a ordem correta de preenchimento das lacunas, de cima para baixo.
R:C. I, III, II.
É possível definir a energia livre de Gibbs (ΔG) como a energia útil de um sistema que resulta da diferença entre a entalpia (ΔH) e a entropia (ΔS) (esta multiplicada pela temperatura), de acordo com a equação: ΔG = ΔH – T·ΔS. Nesse contexto, a energia de Gibbs é a energia disponível para produzir trabalho, e é possível resumir as condições de espontaneidade e equilíbrio a temperatura e pressão constantes em termos de ∆G. Quando a energia de Gibbs é menor que 0 (∆G < 0), a reação é espontânea no sentido direto (reagentes → produtos). Quando o valor da energia de Gibbs é maior que 0 (∆G > 0), a reação é não espontânea no sentido direto, e a reação no sentido inverso é espontânea (reagentes ← produtos). Já quando a energia de Gibbs é igual a 0 (∆G = 0), o sistema está em equilíbrio, e não há variação global das propriedades do sistema (reagentes ↔ produtos).
3) O processo de Haber-Bosch é um procedimento industrial de obtenção de amônia a partir de nitrogênio (N2) e hidrogênio (H2) gasoso, em que se controla a pressão e a temperatura, mantendo-se um sistema em equilíbrio, de acordo com a seguinte equação química:
N2(g) + 3 H2(g) ↔ 2 NH3(g)
Pelo desenvolvimento desse processo e pela sua industrialização, os químicos alemães Fritz Haber e Carl Bosch foram agraciados com o Prêmio Nobel de Química. O que se pode afirmar sobre o equilíbrio químico dessa reação?
R: B. A concentração de amônia é constante.
Algumas reações químicas cessam quando todos os reagentes são transformados nos produtos. No entanto, existem outros tipos de reações que são reversíveis, ou seja, ao mesmo tempo que os produtos são formados (reação direta), eles se combinam e regeneram os reagentes (reação inversa). Existe um momento em que as velocidades das reações direta e inversa se tornam iguais; este é o estado de equilíbrio químico. Assim, no equilíbrio, a velocidade das reações inversas e diretas tende a ser constante também ou igual. Além disso, quando uma reação atinge o equilíbrio, a concentração de reagentes e produtos é a mesma, ou seja, não há mais variação na concentração. Logo, quando esse equilíbrio é atingido, a concentração de amônia formada se torna constante. Além disso, cabe destacar que, no processo de Haber-Bosch, como o número de moles de gás nitrogênio é diferente do gás hidrogênio e do número de moles da amônia formada, eles não se tornarão iguais ao final do processo.
 
4) Uma aplicação dos processos reversíveis é vista no ciclo de Carnot. Este consiste em uma série de processos reversíveis que proporciona a obtenção de uma máquina térmica com o maior rendimento possível. Porém, o ciclo de Carnot é um ciclo idealizado, no qual o fluido operante é um gás perfeito.
Diante disso, sabe-se que a turbina de um avião tem rendimento de 65% do rendimento de uma máquina ideal de Carnot operando às mesmas temperaturas. Durante um voo, a turbina retira calor da fonte quente a 150°C e ejeta gases para a atmosfera, que está a –40°C. O rendimento dessa turbina é de:
R: D. 29%.
A Segunda Lei da Termodinâmica se estabeleceu a partir dos estudos do físico Sadi Carnot, que, incentivado pela Revolução Industrial, estudava a possibilidade de aumentar a eficiência das máquinas. Assim, como o trabalho depende da transferência de energia térmica, lembrando que não é possível transformar todo calor em trabalho, Carnot mostrou que o máximo rendimento depende apenas da diferença entre as temperaturas das fontes quente e fria, dado pela equação:
η = 1 – T2 ÷ T1
Em que:
η = rendimento
T1 = temperatura da fonte quente (em Kelvin)
T2= temperatura da fonte fria (em Kelvin)
Assim, para descobrir o rendimento da turbina do avião em questão, inicialmente deve-se transformar a temperatura da fonte quente (T1 = 150°C) e a temperatura da fonte fria (T2 = –40°C) em graus Kelvin. Essa conversão é dada pelos graus Celsius +273 (°C + 273 = Kelvin):
T1 = 150°C + 273 = 423K
T2 = –40°C + 273 = 233K
Assim, a temperatura da fonte quente (T1 = 423K) e a temperatura da fonte fria (T2 = 233K). A partir disso, podem-se aplicar esses dados para descobrir o rendimento de uma máquina ideal de Carnot:
η = 1 – T2 ÷ T1
η = 1 – 233K ÷ 423K
η = 1 – 0,55
η = 0,45
Esse rendimento de 45% é o rendimento de uma máquina ideal de Carnot. Como a turbina tem 65% desse rendimento:
η = 0,45 × 0,65 = 0,29 = 29%
Assim, o rendimento da turbina do avião em questão é de 29%.
5) Um processo reversível é aquele cuja direção pode ser revertida para retornar o sistema ao seu estado original. Isto é, ao final desse processo, nenhuma mudança no sistema ou em seus arredores ocorre. Assim, um processo reversível pode ser definido como um processo que pode ser revertido sem deixar qualquer vestígio no ambiente.
Sabendo disso, são feitas as seguintes afirmações:
I. Locomoção de um pêndulo com atrito.
II. Expansão adiabática de um gás em um cilindro com êmbolo no qual a pressão externa é sempre mantida muito próximo da pressão interna.
III. Expansão livre de um gás.
Entre os processos apresentados, quais podem ser considerados reversíveis?
R: E. Apenas II.
Quando se tem um processo cuja direção pode ser revertida para retornar o sistema ao seu estado original, trata-se de um processo reversível. Assim, o sistema e o ambiente retornam a seus estados iniciais no final do processo inverso. Isso somente será possível se a troca líquida de calor e a realização de trabalho entre o sistema e o ambiente forem zero para o processo combinado (original e inverso). Quando se tem a locomoção de um pêndulo com atrito, o processo é irreversível, uma vez que o atrito é umaforma de irreversibilidade, pois é necessário algum trabalho para superar essa força. Já quando se tem a expansão adiabática de um gás em um cilindro com êmbolo no qual a pressão externa é sempre mantida muito próximo da pressão interna, o processo é reversível, pois a força causada pelo gás no interior do pistão é balanceada pela força externa (as pressões são quase iguais). Assim, o gás se expande lentamente, sem trocar calor com o ambiente externo, e pode ser comprimido de volta da mesma forma. Por sua vez, a expansão livre de um gás não é um processo reversível, pois não é um processo em que haja transformações infinitesimais.