Um material é dito paramagnético quando, ao ser submetido a um campo magnético externo, nele se produz uma magnetização na mesma direção e sentido desse campo. Esses materiais podem ser utilizados para resfriar substâncias abaixo de 0.3 K em uma técnica denominada resfriamento magnético. A técnica consiste em submeter o material a um ciclo apropriado de magnetização e desmagnetização, explorando o chamado efeito magnetocalórico, que pode ser entendido a partir das seguintes observações:
I) para magnetizar esses materiais é necessário realizar trabalho sobre eles;
II) a energia interna desses materiais pode ser decomposta em energia potencial devido à magnetização, e em energia cinética das moléculas;
III) a energia potencial magnética decresce quando há magnetização alinhada ao campo, e se anula quando não há magnetização.
Com isso, pode-se afirmar que:
a. em um processo de magnetização isotérmica o sistema cede calor ao reservatório. Isso porque há trabalho realizado sobre o sistema, mas a energia potencial magnética diminui e a energia cinética fica constante, portanto o sistema deve liberar energia ao entorno.
b. em um processo de magnetização isotérmica o sistema não troca calor com o entorno. A energia cinética das moléculas fica constante, e o decréscimo de energia potencial magnética é compensado pelo trabalho realizado sobre o sistema.
c. um processo de magnetização isotérmica violaria a primeira lei da termodinâmica, porque é realizado trabalho sobre o material, mas, embora a energia potencial magnética diminua, a energia cinética aumenta ainda mais, violando a relação de equilíbrio energético.
d. um processo de magnetização isotérmica violaria a primeira lei da termodinâmica, porque é realizado trabalho sobre o material, mas a energia potencial magnética diminui, e a energia cinética fica constante, violando a relação de equilíbrio energético.
e. em um processo de magnetização isotérmica o sistema recebe calor do reservatório. A energia potencial magnética diminui e a energia cinética fica constante, portanto o sistema deve receber energia do entorno para compensar o decréscimo da energia interna.

Passo 1

O enunciado trata de um material paramagnético cujas energias internas podem ser escritas como soma da energia cinética das moléculas U_k e da energia potencial magnética U_p. Ele pergunta o que ocorre numa magnetização isotérmica, ou seja, a temperatura fica constante, e queremos saber se o sistema recebe ou cede calor. Para resolver, vamos usar a primeira lei da termodinâmica.

Passo 2

A primeira lei da termodinâmica diz que
\Delta U = Q + W
onde:
\Delta U é a variação da energia interna do sistema;
Q é o calor trocado com o ambiente (positivo quando entra no sistema);
W é o trabalho realizado sobre o sistema (positivo quando o ambiente faz trabalho nele).

Passo 3

Como o processo é isotérmico, a energia cinética média das moléculas não muda. Logo,
\Delta U_k = 0.
Pela observação III, a energia potencial magnética diminui quando o material se magnetiza. Então
\Delta U_p < 0.
Portanto
\Delta U = \Delta U_k + \Delta U_p = 0 + \Delta U_p < 0.

Passo 4

Sabemos também da observação I que, para magnetizar, é preciso realizar trabalho sobre o sistema, logo
W > 0.
Da primeira lei temos
Q = \Delta U - W.
Como \Delta U<0 e W>0, o membro direito é negativo, isto é,
Q < 0.
Um Q negativo significa que o sistema cede calor ao reservatório.

Passo 5

A única alternativa que afirma que, sob magnetização isotérmica, o sistema cede calor ao reservatório é a letra (a).

Resposta

a. em um processo de magnetização isotérmica o sistema cede calor ao reservatório. Isso porque há trabalho realizado sobre o sistema, mas a energia potencial magnética diminui e a energia cinética fica constante, portanto o sistema deve liberar energia ao entorno.

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