A espontaneidade de processos de interesse biológico é normalmente determinada pela variação da energia livre de Gibbs,
.
Discuta as condições para as quais esta equação indica a espontaneidade de um processo e explique sua relação com a segunda lei da termodinâmica.
Discuta as condições para as quais esta equação indica a espontaneidade de um processo e explique sua relação com a segunda lei da termodinâmica.
Passo 1
Beleza, vamos lá! A questão fala sobre a espontaneidade de processos biológicos e usa a variação da energia livre de Gibbs, que é dada por
. Nosso objetivo é entender em que condições essa equação nos diz se um processo é espontâneo e como isso se relaciona com a segunda lei da termodinâmica. Para resolver isso, precisamos lembrar dos conceitos de entalpia (
), entropia (
), temperatura (
) e como eles influenciam a espontaneidade dos processos.
Passo 2
Primeiro, vamos entender o que significa cada termo da equação
:
-
(variação da energia livre de Gibbs): Indica se um processo pode ocorrer espontaneamente. Se for negativo, o processo é espontâneo. -
(variação de entalpia): Representa a troca de calor em condições de pressão constante. Se for negativo, o processo libera calor (exotérmico); se for positivo, absorve calor (endotérmico. -
(variação de entropia): Mede a desordem do sistema. Um aumento na entropia ( positivo) tende a favorecer a espontaneidade. -
(temperatura absoluta): Quanto maior a temperatura, maior o impacto do termo .
Passo 3
Agora, vamos ver como
indica a espontaneidade:
-
: Processo espontâneo. -
: Processo não espontâneo. -
: Equilíbrio termodinâmico.
Para que um processo seja espontâneo, ele deve levar a uma diminuição na energia livre de Gibbs. Isso pode acontecer de diferentes maneiras, dependendo dos sinais de
e
:
-
e : Sempre espontâneo, porque ambos os termos favorecem a redução de . -
e : Espontaneidade depende da temperatura. Se , então e é espontâneo. -
e : Espontaneidade também depende da temperatura. Se , então e é espontâneo. -
e : Nunca espontâneo, pois ambos os termos aumentam .
Passo 4
Agora, relacionando com a segunda lei da termodinâmica, que afirma que a entropia total do universo sempre aumenta em um processo espontâneo. A energia livre de Gibbs incorpora essa ideia, combinando a entalpia e a entropia do sistema. Quando
, significa que o processo aumenta a entropia do universo, mantendo a segunda lei válida.
Resposta
A equação
indica que um processo é espontâneo quando a variação da energia livre de Gibbs (
) é negativa. Isso ocorre em diferentes cenários:
- Se
é negativa e é positiva, o processo é sempre espontâneo. - Se ambos
e são negativos, o processo é espontâneo a baixas temperaturas. - Se ambos são positivos, a espontaneidade ocorre a altas temperaturas.
- Se
é positivo e é negativo, o processo nunca é espontâneo.
Essa relação está alinhada com a segunda lei da termodinâmica, que exige que a entropia total do universo aumente para processos espontâneos. A energia livre de Gibbs incorpora essa exigência, garantindo que
corresponda a um aumento líquido na entropia total.
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