Uma certa quantidade de água recebe calor continuamente a uma taxa constante. Observa-se que sua temperatura permane e constante por um intervalo de tempo. Esse fenômeno indica que:
◯ a. O calor está sendo usado em mudança de fase
◯ b. A energia interna não está variando
◯ c. A massa do sistema está diminuindo
◯ d. O sistema atingiu o zero absoluto
◯ e. O sistema está perdendo calor para o ambiente

Passo 1

O enunciado dá as seguintes informações claras:
  • Há uma certa quantidade de água que recebe calor continuamente a uma taxa constante. Vou chamar essa taxa de \dot{Q}.
  • Observa-se que a temperatura da água permanece constante durante um intervalo de tempo (ou seja, não sobe nem desce enquanto o calor é fornecido).
    O enunciado pergunta qual das alternativas a seguir esse fenômeno indica (listar as opções tal como dadas):
  • (a) O calor está sendo usado em mudança de fase.
  • (b) A energia interna não está variando.
  • (c) A massa do sistema está diminuindo.
  • (d) O sistema atingiu o zero absoluto.
  • (e) O sistema está perdendo calor para o ambiente.

Passo 2

Entendendo os conceitos básicos (mini-aula calma e prática).
  • Temperatura \,T\: é uma medida da energia cinética média das partículas em muitos casos; quando adicionamos calor a um corpo, muitas vezes sua temperatura aumenta.
  • Calor Q é energia transferida por diferença de temperatura. Uma taxa constante de calor é \dot{Q}=\dfrac{dQ}{dt}.
  • Energia interna U é a energia total armazenada microscopicamente no sistema (movimento molecular, ligações, etc.). A Primeira Lei da Termodinâmica para um sistema fechado diz, em forma simples,
\Delta U = Q - W,
onde W é trabalho realizado pelo sistema. Isso significa que o calor fornecido pode aumentar a energia interna e/ou fazer trabalho (por exemplo, vapor gerado empurrando um pistão).
  • Importante: temperatura constante NÃO implica automaticamente que \Delta U=0 para todos os tipos de substâncias. Para certos sistemas (p.ex., ideal gas em processo isotérmico), U depende apenas de T e, então, \Delta U=0 quando T é constante. Mas para mudanças de fase a energia interna pode mudar mesmo com T constante.

Passo 3

O que acontece numa mudança de fase (a explicação essencial).
  • Durante uma mudança de fase (por exemplo, água líquida virando vapor à pressão ambiente), o calor entregue é gasto em alterar a estrutura e as ligações entre as moléculas, não em aumentar a energia cinética média que aparece como temperatura.
  • Essa energia necessária por unidade de massa para mudar de fase chama-se calor latente L. A relação para uma massa m que sofre mudança de fase é, para a energia total necessária,
Q = m\,L.
  • Se o calor é fornecido a uma taxa constante \dot{Q}, a massa que se transforma por unidade de tempo é
\dot{m}=\frac{\dot{Q}}{L}.
  • Consequência prática: ao aquecer água numa panela, quando atinge 100^\circ\text{C} (à pressão de 1 atm) continua a receber calor mas a temperatura fica fixa enquanto ocorre vaporização — o calor entra e é usado para vaporizar, não para subir T.

Passo 4

Aplicando ao enunciado: por que a alternativa (a) é a interpretação clássica e correta
  • O enunciado descreve exatamente a assinatura típica de uma mudança de fase: calor sendo fornecido continuamente e temperatura constante durante um intervalo. Isso é o comportamento clássico do calor latente em mudança de fase (p.ex., fusão ou vaporização).
  • Portanto a alternativa (a) “O calor está sendo usado em mudança de fase” explica diretamente por que a temperatura não sobe apesar da entrada contínua de calor.

Passo 5

Analisando as outras alternativas e explicando por que não são a melhor escolha
  • (b) “A energia interna não está variando.” — Isso é falso em geral: durante mudança de fase a energia interna do sistema muda (por exemplo, passa-se de líquido para vapor, e a energia interna do vapor é maior). Embora a temperatura esteja constante, a energia interna varia porque a forma de energia interna que muda não é a energia cinética média que determina T, mas energia de ligação/posicional. Além disso, para alguns sistemas ideais (p.ex., gás ideal isotérmico) \Delta U=0 quando T constante, mas a afirmação geral “energia interna não está variando” não é a conclusão correta a partir da observação dada para água.
  • (c) “A massa do sistema está diminuindo.” — Isso não é uma conclusão direta. Durante vaporização a massa líquida diminui, mas usualmente continua no sistema total (alguma massa passa a vapor e permanece como sistema se considerado fechado). O enunciado não dá informação sobre perda líquida de massa para fora do sistema, então não se pode afirmar isso como explicação única.
  • (d) “O sistema atingiu o zero absoluto.” — Impossível: zero absoluto ( 0\\ \text{K}) não é alcançável por simples adição de calor, e além disso estaria associado a temperatura mínima, não a temperatura constante enquanto se adiciona energia. Essa opção é equivocada.
  • (e) “O sistema está perdendo calor para o ambiente.” — Em princípio, se o sistema recebesse calor e perdesse exatamente a mesma quantidade para o ambiente, a temperatura poderia ficar constante. Contudo isso exige uma condição de equilíbrio dinâmico (taxa de perda igual à taxa de entrada) e não é a explicação típica para “permanece constante por um intervalo” quando se fala de aquecimento de água. Além disso, a observação mais característica e didática usada em física para esse fenômeno é mudança de fase (por isso exames e livros apontam (a)). Em resumo: (e) é teoricamente possível, mas não é a interpretação usual nem a mais imediata para água recebendo calor com temperatura constante.

Passo 6

Resumo final do raciocínio para usar na prova (como responder rápido)
  • Regra prática que cai em prova: se uma substância pura (como água) recebe calor e sua temperatura fica constante por um tempo enquanto o aquecimento continua, isso indica que o calor está sendo usado para mudança de fase (calor latente). Memorizem: “Calor + temperatura constante → mudança de fase (calor latente)”.
  • Se em dúvida, pense: o que faz temperatura não subir mesmo com calor entrando? Ou o calor vai para mudar a fase (a), ou há uma perda igual (e). Entre as opções típicas de prova a resposta correta é (a).

Resposta

a. O calor está sendo usado em mudança de fase.

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