Conservação e dissipação de energia

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A dissipação da energia torna os processos espontâneos

Conservação e dissipação de energia

Conservação e dissipação de energia

Pode-se montar um mecanismo em que um objeto, ao cair, aciona uma alavanca, levantando um peso (A e B). Se esse peso também cair, toda a energia inicial do objeto estará dissipada e mais nenhum trabalho poderá ser realizado (C). A energia potencial pode ser convertida na forma de trabalho (A) ou dissipada (C) sem que nenhum trabalho seja realizado.

É importante notar que, num processo espontâneo, energia é dissipada. Ela é conservada, ela não é perdida, mas ela se espalha, transformando-se numa energia menos útil, que não pode mais ser usada para realizar um trabalho. Quando a energia se dissipa, ela se transforma na energia do movimento térmico das moléculas. Essa é uma energia dita degradada por não servir para a realização de trabalho. Pode parecer que, num processo espontâneo, ocorre diminuição de energia. Na queda de um objeto, este diminui sua energia potencial; numa reação química, os produtos têm energia menor que os reagentes. Mas não é essa diminuição de energia que torna um processo espontâneo; é a dissipação da energia.

Sempre que energia pode se dissipar e o processo não é impedido (por exemplo, segurando um objeto, mantendo reagentes separados) ocorre um processo espontâneo. A energia se dissipa tanto no sistema, quanto no ambiente.

A dispersão de energia é quantificada pela Entropia

Para medir ou quantificar a dispersão da energia, foi definida uma grandeza termodinâmica chamada entropia (representada pela letra S). Quando há dispersão de energia, a entropia aumenta. Então, como a entropia final é maior que a inicial, a variação de entropia (ΔS) é positiva. Escreve-se:

ΔS = Sfinal - Sinicial > 0

Como energia é dissipada no sistema e no ambiente, há variação de entropia em ambos, podendo-se calcular a variação de entropia total.

ΔStotal = ΔSsis + ΔSamb

Entropia e Reações Químicas

Em Química, é interessante analisar algumas transformações do ponto de vista da variação de entropia, ou seja, da dissipação de energia.

Caixa de Texto 1

Caixa de Texto 1

Os coeficientes estequiométricos numa equação química podem ser considerados quantidades de matéria (expressas em mols). No caso da combustão do butano, nos reagentes há 1 + 13/2 = 7,5 mols de gás e, nos produtos, 4 + 5 = 9 mols de gás

C4H10(g) + 13/2 O2(g) → 4 CO2(g) + 5 H2O(g) + calor

Como quantidades de gás e volumes de gás, nas mesmas condições de pressão e temperatura, guardam proporções iguais, pode-se dizer também que há 7,5 volumes de gás nos reagentes e 9 volumes nos produtos.

A reação de combustão do butano é exotérmica:

C4H10(g) + 13/2 O2(g) → 4 CO2(g) + 5 H2O(g) + calor

A energia liberada na reação dissipa-se no ambiente, aumentando a entropia deste (ΔSamb > 0). No sistema também ocorre um aumento de entropia (ΔSsis > 0) porque de 7,5 volumes gasosos nos reagentes passa-se a 9 volumes gasosos nos produtos (veja Caixa de Texto 1), o que corresponde a energia mais dispersa nos produtos. Logo, a combustão do butano, uma vez iniciada, é espontânea.

A combustão do acetileno também é exotérmica, o que significa que a energia da reação se dissipa no ambiente:

C2H2(g) + 5/2 O2(g) → 2 CO2(g) + H2O(g) + calor

Porém, no sistema não há dissipação de energia. No sistema ocorre concentração de energia devido à redução de volume gasoso, de 3,5 nos reagentes (1 +2,5) a 3 (1+2) nos produtos.

Portanto, no caso da combustão do acetileno, olhando apenas para o sistema, chegar-se-ia à conclusão de que a reação não é espontânea. Porém, a experiência nos mostra que esta reação é espontânea, o que se deve ao fato de que a energia dissipada no ambiente compensa a energia concentrada no sistema.

O caso da combustão do acetileno nos mostra porque se procurou outra maneira de considerar o balanço entre dissipação e concentração de energia no sistema e no ambiente.

Energia de Gibbs

O caso de reações como a combustão do acetileno ilustra o problema de se usar a entropia para verificar se um processo é espontâneo ou não. É preciso olhar tanto para o sistema quanto para o ambiente. Aí a definição do sistema fica meio sem sentido, já que é preciso levar em conta o todo. Para resolver a questão foi definida uma nova grandeza termodinâmica, chamada energia de Gibbs, representada pela letra G.

A variação da energia de Gibbs (ΔG) é definida, a pressão e temperatura constantes:

ΔG = ΔH - TΔS

A pressão e temperatura constantes, a variação de entalpia (ΔH, o calor envolvido na reação) e a variação de entropia (ΔS, a energia dissipada) se referem apenas ao sistema (não é necessário usar índices (sis), pois fica implícito que tudo diz respeito ao sistema).

Note que a equação acima é, na realidade, a equação anterior reescrita:

ΔStotal = ΔSsis + ΔSamb

ΔG = ΔH - TΔS

A variação de entropia (ΔS) na expressão da energia de Gibbs é a variação de entropia do sistema (ΔSsis).

A variação de entalpia (ΔH) diz respeito à energia dissipada / absorvida na reação e corresponde a ΔSamb. Se a reação dissipa energia no ambiente (exotérmica, ΔH < 0), a entropia do ambiente aumenta, ou seja ΔSamb>0. Se a reação absorve energia do ambiente (endotérmica, ΔH > 0), a entropia do ambiente diminui, isto é ΔSamb<0.

A variação de energia de Gibbs (ΔG) corresponde à variação de entropia total, no sistema e no ambiente, ΔStotal.

A dissipação da energia torna os processos espontâneos

Conservação e dissipação de energia

Conservação e dissipação de energia

Pode-se montar um mecanismo em que um objeto, ao cair, aciona uma alavanca, levantando um peso (A e B). Se