Considere a vaporização da água líquida em vapor. (a) escreva a reação química que representa o processo; (b) esse processo é endotérmico ou exotérmico? © em que faixa de temperatura ele é um processo espontâneo; (d) Em que faixa de temperatura ele não é um processo espontâneo? (d) A que temperatura as duas fases estão em equilíbrio? Defina o sistema. Deixe claro as definições e suposições utilizadas para a resposta.

Passo 1

Beleza, vamos lá! O exercício fala sobre a vaporização da água líquida em vapor. Isso pertence ao conteúdo de termodinâmica, especialmente sobre mudanças de fase e espontaneidade de processos. Para resolver, vamos precisar saber como escrever reações químicas, entender se o processo é endotérmico ou exotérmico, analisar a espontaneidade em diferentes temperaturas e identificar a temperatura de equilíbrio entre as fases. Também vamos definir o sistema em questão.

Passo 2

Primeiro, vamos escrever a reação química que representa a vaporização da água líquida em vapor. Quando a água líquida se transforma em vapor, ela está passando de uma fase líquida para a gasosa.
A reação química é:
H2O(ell) H2O(g)
Aqui, (ell) representa a fase líquida e (g) a fase gasosa.

Passo 3

Agora, vamos determinar se esse processo é endotérmico ou exotérmico. Um processo endotérmico absorve calor do ambiente, enquanto um exotérmico libera calor.
Na vaporização da água, estamos transformando água líquida em vapor, o que requer energia para vencer as forças intermoleculares. Portanto, esse processo absorve calor do ambiente.
Logo, a vaporização da água é um processo endotérmico.

Passo 4

Vamos falar sobre a espontaneidade do processo. Um processo espontâneo é aquele que ocorre sem a necessidade de fornecer energia externa, geralmente influenciado pela entropia e pela energia livre do sistema.
A espontaneidade da vaporização depende da temperatura. Em temperaturas mais altas, a tendência é que a água vire vapor de forma mais espontânea porque a energia térmica favorece a separação das moléculas.
Portanto, a vaporização é espontânea em uma faixa de temperatura específica onde a energia disponível facilita a transformação para a fase gasosa.

Passo 5

Agora, vamos entender em que faixa de temperatura a vaporização não é um processo espontâneo. Em temperaturas mais baixas, a água tende a permanecer na fase líquida porque a energia térmica é insuficiente para superar as forças que mantêm as moléculas unidas.
Nessas temperaturas mais baixas, o processo de vaporização não ocorre espontaneamente porque a entropia do sistema não aumenta o suficiente para compensar a energia necessária.

Passo 6

Vamos identificar a temperatura na qual as duas fases estão em equilíbrio. Esse é o ponto onde a taxa de vaporização iguala a taxa de condensação, estabelecendo um equilíbrio entre a água líquida e o vapor.
A essa temperatura, conhecida como temperatura de ebulição à pressão considerada, as duas fases coexistem em equilíbrio termodinâmico. Para a água à pressão atmosférica padrão (1 atm), essa temperatura é 100°C.

Passo 7

Finalmente, vamos definir o sistema. Neste caso, o sistema é a água, que pode estar na forma líquida ou gasosa. As definições e suposições que usamos são:
  • Sistema fechado: Não troca matéria com o ambiente, mas pode trocar energia na forma de calor.
  • Pressão constante: Consideramos a pressão atmosférica constante durante o processo.
  • Temperatura variável: A temperatura pode mudar, afetando a espontaneidade e o equilíbrio das fases.

Resposta

Resumindo:
(a) A reação química é H2O(ell) H2O(g).
(b) O processo é endotérmico.
© A vaporização é espontânea em temperaturas altas, próximas ou acima de 100°C.
(d) Não é espontânea em temperaturas baixas, abaixo de 100°C.
(e) As duas fases estão em equilíbrio a 100°C (temperatura de ebulição à pressão atmosférica).
O sistema considerado é a água, em um sistema fechado a pressão constante, onde a temperatura varia influenciando o estado físico da água.

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