Considere os seguintes processos:
I. A energia flui como calor de um objeto quente para um objeto mais frio.
II. Trabalho é realizado sobre um sistema e uma quantidade equivalente de energia é rejeitada como calor pelo sistema.
III. Energia é absorvida como calor por um sistema e uma quantidade equivalente de trabalho é realizado pelo sistema.
Destes, quais nunca se verificam?
Escolha uma opção:
a. Apenas I
b. Apenas II
c. Apenas III
d. Apenas II e III
e. I, II e III

Passo 1

O enunciado lista três processos de transferência/transformação de energia e pede quais deles nunca ocorrem, ou seja, quais violam a Segunda Lei da Termodinâmica. Vamos usar:
  • A Primeira Lei (conservação de energia) para checar balanços de energia;
  • A Segunda Lei, especialmente nas formas de Clausius (não há fluxo espontâneo de calor de frio para quente) e Kelvin–Planck (não é possível converter todo calor de um reservatório em trabalho sem outras mudanças).

Passo 2

Analisando o processo I: “A energia flui como calor de um objeto quente para um objeto mais frio.”
Pela forma de Clausius, o calor flui espontaneamente do corpo mais quente para o mais frio.
Portanto, o processo I é permitido e ocorre na natureza.

Passo 3

Analisando o processo II: “Trabalho é realizado sobre um sistema e uma quantidade equivalente de energia é rejeitada como calor pelo sistema.”
Aqui temos um balanço em que W_{\rm in} entra como trabalho e sai exatamente como calor Q_{\rm out}. Isso satisfaz a Primeira Lei, \Delta E = W_{\rm in} - Q_{\rm out} = 0, e não fere a Segunda Lei (é, por exemplo, o caso de atrito ou compressão irreversível em que trabalho vira calor).
Logo, o processo II é permitido.

Passo 4

Analisando o processo III: “Energia é absorvida como calor por um sistema e uma quantidade equivalente de trabalho é realizado pelo sistema.”
Isto equivale a converter 100 % do calor absorvido Q_{\rm in} em trabalho W, ou seja, ter eficiência
\eta = \frac{W}{Q_{\rm in}} = 1.
Pelo enunciado de Kelvin–Planck, é impossível extrair calor de um único reservatório e convertê-lo integralmente em trabalho sem outras mudanças de estado.
Portanto, o processo III nunca ocorre.

Passo 5

Somente o processo III viola a Segunda Lei.

Resposta

c. Apenas III

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