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PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS

Questão 2 (Química) do ITA 2009

Química · Química: Entropia e energia livre de Gibbs

Texto-base das questões 01 a 20 · Química

Constante de Avogadro = 6{,}02 \times 10^{23}\ \text{mol}^{-1}
Constante de Faraday (F) = 9{,}65 \times 10^4\ \text{C}\ \text{mol}^{-1} = 9{,}65 \times 10^4\ \text{A}\ \text{s}\ \text{mol}^{-1} = 9{,}65 \times 10^4\ \text{J}\ \text{V}^{-1}\ \text{mol}^{-1}
Volume molar de gás ideal = 22{,}4\ \text{L}\ (\text{CNTP})
Carga elementar = 1{,}602 \times 10^{-19}\ \text{C}
Constante dos gases (R) = 8{,}21 \times 10^{-2}\ \text{atm}\ \text{L}\ \text{K}^{-1}\ \text{mol}^{-1} = 8{,}31\ \text{J}\ \text{K}^{-1}\ \text{mol}^{-1} = 62{,}4\ \text{mmHg}\ \text{L}\ \text{K}^{-1}\ \text{mol}^{-1} = 1{,}98\ \text{cal}\ \text{K}^{-1}\ \text{mol}^{-1}
Constante gravitacional (g) = 9{,}81\ \text{m}\ \text{s}^{-2}

DEFINIÇÕES
Pressão de 1\ \text{atm} = 760\ \text{mmHg} = 101325\ \text{N}\ \text{m}^{-2} = 760\ \text{Torr}
1\ \text{N} = 1\ \text{kg}\ \text{m}\ \text{s}^{-2}
Condições normais de temperatura e pressão (CNTP): 0\ ^\circ\text{C} e 760\ \text{mmHg}
Condições ambientes: 25\ ^\circ\text{C} e 1\ \text{atm}.
Condições-padrão: 25\ ^\circ\text{C}, 1\ \text{atm}, concentração das soluções: 1\ \text{mol}\ \text{L}^{-1} (rigorosamente: atividade unitária das espécies), sólido com estrutura cristalina mais estável nas condições de pressão e temperatura em questão.
(s) ou (c) = sólido cristalino; (l) ou (\ell) = líquido; (g) = gás; (aq) = aquoso; (graf) = grafite; (CM) = circuito metálico; (conc) = concentrado; (ua) = unidades arbitrárias; [A] = concentração da espécie química A em \text{mol}\ \text{L}^{-1}.

MASSAS MOLARES

Elemento Químico Número Atômico Massa Molar
(\text{g}\ \text{mol}^{-1})		 Elemento Químico Número Atômico Massa Molar
(\text{g}\ \text{mol}^{-1})
H 1 1,01 Fe 26 55,85
He 2 4,00 Ni 28 58,69
Li 3 6,94 Cu 29 63,55
C 6 12,01 Zn 30 65,40
N 7 14,01 Ge 32 72,64
O 8 16,00 As 33 74,92
Ne 10 20,18 Br 35 79,90
Na 11 22,99 Kr 36 83,80
Mg 12 24,31 Ag 47 107,87
Al 13 26,98 Cd 48 112,41
Si 14 28,09 Sn 50 118,71
S 16 32,07 I 53 126,90
Cl 17 35,45 Xe 54 131,29
Ar 18 39,95 Cs 55 132,91
K 19 39,10 Ba 56 137,33
Ca 20 40,08 Pt 78 195,08
Cr 24 52,00 Pb 82 207,2
Mn 25 54,94 Ra 86 222

No ciclo de Carnot, que trata do rendimento de uma máquina térmica ideal, estão presentes as seguintes transformações:

  1. A
    duas adiabáticas e duas isobáricas.
  2. B
    duas adiabáticas e duas isocóricas.
  3. C
    duas adiabáticas e duas isotérmicas.
  4. D
    duas isobáricas e duas isocóricas.
  5. E
    duas isocóricas e duas isotérmicas.
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Resolução comentada

O ciclo de Carnot é o ciclo de maior rendimento possível entre duas fontes térmicas, uma quente (T_q) e uma fria (T_f). Para isso, as trocas de calor só podem ocorrer nas temperaturas das fontes, sem troca com temperaturas intermediárias. Isso define as quatro etapas, todas reversíveis:

  1. Expansão isotérmica a T_q: o gás recebe calor da fonte quente e se expande, mantendo a temperatura.
  2. Expansão adiabática: não há troca de calor, e o gás esfria de T_q até T_f ao realizar trabalho.
  3. Compressão isotérmica a T_f: o gás cede calor à fonte fria.
  4. Compressão adiabática: sem troca de calor, o gás é comprimido e aquece de T_f até T_q, voltando ao estado inicial.

Portanto, o ciclo tem duas transformações isotérmicas (onde ocorre troca de calor) e duas adiabáticas (onde a temperatura muda sem troca de calor). O rendimento resulta \eta = 1 - \dfrac{T_f}{T_q}, que depende apenas das temperaturas das fontes.

Processos isobáricos (pressão constante) ou isocóricos (volume constante) não fazem parte do ciclo, pois envolveriam troca de calor com temperaturas variáveis.

Alternativa C.

Por que as outras alternativas estão erradas

  • AInclui isobáricas, que não existem no ciclo de Carnot; as trocas de calor ocorrem em isotérmicas.
  • BIsocóricas pertencem a outros ciclos (como o Otto), não ao de Carnot.
  • DIsobáricas e isocóricas envolvem troca de calor com temperatura variável, o que reduz o rendimento; não há adiabáticas nem isotérmicas.
  • EOmite as adiabáticas e inclui isocóricas; sem adiabáticas não se passa de T_q a T_f sem troca de calor.

Assunto: Entropia e energia livre de Gibbs.

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Fonte: ITA 2009 · Química. Prova oficial ↗