Qual modo de trabalho não é um modo de trabalho de quase-equilibrio?
(A) Um eixo rotativo de direção em um carro
(B) Um agitador rotacional em um recipiente
(C) Uma mola parabólica sendo esticada
(D) Um pistão comprimindo ar em um cilindro de um carro
(A) Um eixo rotativo de direção em um carro
(B) Um agitador rotacional em um recipiente
(C) Uma mola parabólica sendo esticada
(D) Um pistão comprimindo ar em um cilindro de um carro
Passo 1
O enunciado pergunta: “Qual modo de trabalho não é um modo de trabalho de quase-equilíbrio?” e dá as alternativas:
- (A) Um eixo rotativo de direção em um carro
- (B) Um agitador rotacional em um recipiente
- (C) Uma mola parabólica sendo esticada
- (D) Um pistão comprimindo ar em um cilindro de um carro
Passo 2
O que significa “quase-equilíbrio” (ou “quasi-estático”) numa linguagem prática: é um processo que acontece tão lentamente que, em cada instante, o sistema pode ser considerado arbitrariamente próximo de um estado de equilíbrio. Consequência útil: variáveis intensivas (como pressão, temperatura, tensão) estão bem definidas dentro do sistema em cada instante e forças externas e internas ficam praticamente balanceadas, sem grandes gradientes. Em termos práticos, isso significa que não há dissipação significativa por atrito interno, turbulência ou processos irreversíveis durante a transformação.
Passo 3
Regra operacional para reconhecer um processo quase-estático: verificar se o trabalho pode ser escrito usando a força (ou torque) interna equivalente ao deslocamento, sem perdas dissipativas. Exemplos de expressões comuns:
- Trabalho de deslocamento (pistão, volume):
, onde é a pressão do gás (bem definida no processo quase-estático). - Trabalho rotacional por eixo com torque:
, onde é o torque aplicado e o ângulo. - Trabalho em mola:
com sendo a força elástica igual a para uma mola linear; a energia armazenada é .
A ideia-chave: se a força/torque interna pode acompanhar a força externa sem grandes diferenças (sem geração de calor por atrito interno), o processo pode ser aproximado como quase-estático.
Passo 4
Analisando a alternativa (A) — um eixo rotativo de direção em um carro:
- Girar um eixo (ex.: volante ou eixo de direção) lentamente transmite torque, e se feito devagar e sem escorregamento, o torque aplicado fica em equilíbrio com as forças resistivas. Portanto esse modo de trabalho é compatível com um processo quase-estático (pode ser realizado de forma quase-equilíbrio).
Passo 5
Analisando a alternativa (C) — uma mola parabólica sendo esticada:
- Esticar uma mola lentamente faz com que a força elástica interna
acompanhe a força externa aplicada; o trabalho é e a transformação pode ser feita reversivelmente se realizada devagar (sem atrito dissipativo). Logo esse modo é compatível com quase-equilíbrio.
Passo 6
Analisando a alternativa (D) — um pistão comprimindo ar em um cilindro de um carro:
- Em princípio, compressão por um pistão pode ser quasi-estática se feita muito lentamente, porque o trabalho é
com bem definido. Na prática, em um carro o pistão atua rapidamente, gerando gradientes de pressão, entradas/saídas de fluxo e possíveis irreversibilidades; mas conceitualmente existe a possibilidade de compressão quasi-estática (basta mover o pistão lentamente). Portanto D não é uma resposta claramente impossível de ser quasi-equilíbrio — depende do regime de realização.
Passo 7
Analisando a alternativa (B) — um agitador rotacional em um recipiente:
- Um agitador impõe movimento relativo entre camadas de fluido, gerando taxas de cisalhamento e atrito viscoso. Esse cisalhamento converte imediatamente trabalho mecânico em calor interno por dissipação viscosa, gerando produção de entropia local e irreversibilidade. Mesmo que a velocidade seja reduzida, o mecanismo de mistura/viscosidade implica que o processo envolve gradientes e irreversibilidades associadas ao escoamento e mistura. Por isso, o trabalho realizado por um agitador é tipicamente um trabalho irreversível (não quasi-estático) — é um exemplo clássico de modo de trabalho que não passa por uma sequência de estados de equilíbrio do sistema.
Passo 8
Conclusão resumida: A, C e (em princípio) D podem ser realizados de maneira quasi-estática se feitos lentamente e sem perdas dissipativas; o agitador (B) implica dissiação viscosa e geração de entropia, sendo um modo de trabalho irreversível e, portanto, não um modo de quase-equilíbrio.
Resposta
(B)