Mudança de entropia em uma expansão isotérmica reversível
1 · Prever
Um gás se expande isotermicamente e reversivelmente para um volume maior. Sua entropia aumenta, diminui ou permanece a mesma?
- A entropia diminui à medida que o gás se espalha.
- A entropia permanece constante porque o processo é reversível.
- A entropia aumenta – o gás tem mais arranjos microscópicos possíveis em volumes maiores.
2 · Preparar
- Abra o preset de entropia isotérmica e pressione Redefinir. 1 mol de argônio começa em 20 L, 300 K.
- Habilite as leituras de troca de calor e mudança de entropia.
- Defina o volume alvo (final) para cada ensaio e registre o calor trocado e a mudança de entropia.
3 · Coletar Dados
| Volume final V₂ (L) | Calor trocado Q (J) | Variação de entropia ΔS (J/K) |
|---|---|---|
| 30.00 | ||
| 40.00 | ||
| 60.00 |
Plote a mudança de entropia ΔS (eixo y) em relação a ln(V₂/V₁) (eixo x) para suas três tentativas, usando V₁ = 0.02 m³.
4 · Analisar
- Para uma tentativa, calcule Q = nRT·ln(V₂/V₁) usando n = 1 mol, R = 8.314 J/(mol·K), T = 300 K, então ΔS = Q/T (equivalentemente ΔS = nR·ln(V₂/V₁) diretamente). Compare ambos com a tabela.
- Explique por que ΔS é positivo em todas as tentativas aqui e por que uma expansão maior (V₂ maior) produz um aumento maior de entropia.
5 · Aprofundar
- Este experimento assume uma expansão reversível (infinitamente lenta). Uma expansão livre (não controlada) no vácuo para o mesmo volume final produziria exatamente o mesmo ΔS para o gás, mesmo que nenhum calor fosse trocado (Q = 0) e nenhum trabalho fosse realizado. Explique por que a entropia é uma função de estado que não se importa como o gás passou de V₁ para V₂.
- A segunda lei diz que a entropia total (gás mais ambiente) nunca pode diminuir num processo real. Para esta expansão isotérmica reversível, a vizinhança (o reservatório de calor que fornece Q) perde exatamente tanta entropia quanto o gás ganha. Explique por que isso faz com que a entropia total mude para zero – a assinatura de um processo reversível.
A física por trás deste experimento
Mudança de entropia em um processo isotérmico reversível
Para uma expansão isotérmica reversível, a mudança de entropia é igual ao calor trocado dividido pela temperatura constante, o que resulta em ΔS = nR·ln(V₂/V₁) para um gás ideal - a entropia cresce com o logaritmo da razão de volume.