Questão de Química — Transformações Químicas e Energia — FUNDATEC 2025

Leis da termodinâmica aplicadas a sistemas químicos

Gabarito: letra E — todas as assertivas (I, II, III e IV) estão corretas. A questão cobra o domínio conceitual das três leis fundamentais da termodinâmica: a entropia como medida de desordem (I), a segunda lei como critério de espontaneidade (II), a primeira lei como conservação de energia (III) e a terceira lei sobre a entropia de cristais perfeitos no zero absoluto (IV). Não há dispositivo legal envolvido; trata-se de conceitos consolidados da físico-química.

A termodinâmica química estuda as trocas de energia que acompanham as transformações físicas e químicas, e suas leis fundamentais estabelecem as regras que governam essas trocas. A primeira lei é o princípio da conservação da energia: a energia total de um sistema isolado é constante, podendo apenas ser transformada de uma forma em outra. Matematicamente, para um sistema fechado, a variação da energia interna ($\Delta U$) é dada por $\Delta U = Q - W$, onde $Q$ é o calor trocado e $W$ o trabalho realizado. Essa lei não diz nada sobre a direção em que um processo ocorre espontaneamente — apenas que a energia se conserva.

A segunda lei é a que introduz o conceito de entropia ($S$), uma função de estado que mede o grau de desordem ou aleatoriedade de um sistema. Quanto maior a desordem, maior a entropia; quanto mais ordenado, menor. A segunda lei afirma que, em um processo espontâneo, a entropia total do universo (sistema + vizinhança) sempre aumenta: $\Delta S_{universo} > 0$. É ela que define a espontaneidade de uma reação química — um processo é espontâneo se levar a um aumento da entropia total. Por isso, a assertiva II está correta: a relação entre entropia e espontaneidade é expressa pela segunda lei.

A terceira lei estabelece que a entropia de uma substância cristalina perfeita é zero à temperatura do zero absoluto (0 K). Isso ocorre porque, nessa condição, há apenas um único estado microscópico possível (o cristal perfeito tem arranjo totalmente ordenado), e a entropia, que mede o número de microestados acessíveis ($S = k_B \ln W$), é nula. Essa lei fornece um ponto de referência absoluto para o cálculo de entropias padrão das substâncias.

A pegadinha que a banca poderia explorar — e que não aparece aqui — seria inverter o sentido da relação entre entropia e desordem, ou atribuir à primeira lei o papel de definir espontaneidade. Nesta questão, todas as assertivas estão formuladas corretamente, sem armadilhas de troca de conceitos. O que se exige é o reconhecimento direto das definições clássicas.

Guarde o mapa das três leis: a primeira conserva energia, a segunda define espontaneidade via entropia, e a terceira fixa o zero de entropia no cristal perfeito a 0 K. É exatamente esse tripé que as assertivas I a IV percorrem.

Item I — ✅ Correto

A assertiva afirma que "quanto maior a desordem de um sistema, maior é a sua entropia. E quanto mais ordenado o sistema, menor sua entropia." Isso é a definição qualitativa de entropia: ela é uma medida da desordem ou aleatoriedade microscópica. Um gás expandindo-se no vácuo, por exemplo, tem entropia maior que o mesmo gás confinado em um pequeno volume, porque há mais microestados acessíveis. A relação é direta e proporcional — desordem maior, entropia maior; ordem maior, entropia menor. Correto.

Item II — ✅ Correto

A assertiva diz que "a relação entre entropia e espontaneidade de uma reação é expressa pela segunda lei da termodinâmica." De fato, a segunda lei estabelece que um processo é espontâneo quando a entropia total do universo aumenta ($\Delta S_{universo} > 0$). É ela que fornece o critério de espontaneidade, não a primeira lei (que trata de conservação de energia) nem a terceira (que trata do zero absoluto). Correto.

Item III — ✅ Correto

A assertiva afirma que "a primeira lei da termodinâmica é baseada na lei da conservação da energia." Exato: a primeira lei é a expressão do princípio da conservação da energia aplicado a sistemas termodinâmicos. A energia não é criada nem destruída, apenas transformada — o calor fornecido a um sistema pode aumentar sua energia interna ou realizar trabalho. Correto.

Item IV — ✅ Correto

A assertiva diz que "de acordo com a terceira lei da termodinâmica, a entropia de uma substância cristalina perfeita é zero à temperatura do zero absoluto." É a formulação clássica da terceira lei: a entropia de um cristal perfeito tende a zero quando a temperatura tende a 0 K, pois há apenas um microestado possível. Correto.

Conclusão: todas as quatro assertivas estão corretas, portanto a alternativa correta é a letra E (I, II, III e IV).

Gabarito: letra E