Um processo usando os gases hidrogênio e oxigênio foi idealizado em duas etapas da seguinte forma:
Na primeira etapa ocorre a expansão adiabática, onde os gases sofrem uma reação reversível havendo a produção de trabalho para movimentar um motor.
Considere a ocorrência da seguinte reação:
A segunda etapa ocorre no reator, onde os gases reagem formando um produto de maior entalpia num processo endotérmico, isovolumétrico e reversível.
Indique a reação que ocorre no reator. Sabendo que os módulos das energias envolvidas das duas etapas são iguais, verifique se este processo respeita cada uma das leis da termodinâmica. Considere que o processo acontece a temperatura constante de .
Passo 1
No reator a única possibilidade que é plausível é a ocorrência da reação de decomposição da água.
Temos aqui uma reação endotérmica, que ocorre com absorção de calor do meio externo.
Passo 2
Nesse processo ocorre realização de trabalho numa câmara após uma reação em que os gases reagiram formando um produto de menor volume, afinal háverá menor quantidade de gases, a expansão de gases aqui pode ocorrer já que a reação é exotérmica. Analisando a variação de energia interna do gás temos a seguinte equação:
Daí vemos que a energia interna do gás varia para um estado de menor energia.
Passo 3
O reator permite a reação de formação de água
A variação de energia interna do gás nessa etapa será igual ao , pois o processo é isovolumétrico, logo não há trabalho sendo realizado.
O processo como um todo tem uma variação da energia interna do gás ao longo das duas etapas do processo nulo, pois segundo o enunciado as energias das duas etapas são simétricas.
Dessa forma o processo consegue respeitar a primeira lei da termodinâmica.
Passo 4
Quanto a segunda lei da termodinâmica, têm-se um processo em que há absorção de energia térmica no reator e posteriormente a energia é liberada na forma de trabalho por meio da expansão isotérmica dos gases após a formação da água. Isso desrespeita a segunda Lei da termodinâmica pois como o processo é isotérmico, todo a energia liberada pela reação química está sendo transformada em trabalho de expansão.
Vale lembrar que embora a primeira lei demonstre a conservação de energia, a segunda estabelece que o calor não pode ser convertido integralmente em trabalho.
Passo 5
A terceira lei institui que variação de entropia em processos no tenham uma variação de entropia nula, essa lei institui também que essa temperatura é inalcançável então só do processo ser idealizado nessa situação o processo já desrespeita claramente a terceira lei.
Resposta
Temos a seguinte reação
Sobre a validade do processo frente as Leis da termodinâmica:
O processo respeita a 1ª Lei da Termodinâmica.