A relação entre calor, trabalho e energia interna pode ser entendida com a seguinte analogia bastante didática. Considere uma represa cujo volume de água pode ser facilmente medido a qualquer momento, por ex. medindo-se a altura da superfície e conhecendo-se a geometria da construção. A represa é abastecida por um riacho e também pelas chuvas, e pode ser esvaziada tanto pela abertura parcial das comportas quanto por evaporação.
Selecione a analogia incorreta:
a. o volume de água no reservatório é análogo à energia interna: possui um valor bem definido em cada estado do reservatório, e sua variação depende apenas das alturas inicial e final da superfície, independentemente de como tenha ocorrido a entrada e saída de água.
b. se fecharmos as comportas e bloquearmos o riacho que abastece o reservatório, teremos o análogo a um sistema termicamente isolado.
c. o fluxo de água por chuvas e evaporação são análogos ao calor, e podem ser determinados calculando-se o fluxo que entrou da fonte menos o que saiu pela comporta menos a variação total do volume.
d. o fluxo através do riacho e das comportas é análogo ao trabalho realizado sobre/pelo sistema, que pode ser medido através de dispositivos mecânicos conectados às entradas e saídas de água, como hidrômetros usuais.
e. não faz sentido falar na “quantidade de chuva que existe no reservatório num determinado momento”, assim como não faz sentido falar na quantidade de calor contida em um corpo, porque calor não é variável de estado.

Passo 1

Resumindo o enunciado: temos a analogia
• Volume de água no reservatório ↔ energia interna U do sistema (variável de estado)
• Fluxo de água por chuvas e evaporação ↔ calor Q trocado com o ambiente
• Fluxo de água pelo riacho e pelas comportas ↔ trabalho W realizado sobre/​pelo sistema
Pela Primeira Lei da Termodinâmica num processo qualquer, vale
\Delta U = Q - W.
Na analogia, isso se traduz em
\Delta V = (\text{chuvas} - \text{evaporação}) - (\text{riacho} - \text{comporta}).çã

Passo 2

Analisando a alternativa (a):
“A variação do volume (energia interna) depende apenas das alturas inicial e final, independentemente do caminho.”
Isto é exatamente a propriedade de variável de estado e bate com \Delta U. Logo (a) é correta.

Passo 3

Analisando a alternativa (b):
“Se fecharmos comportas e bloquearmos o riacho, teremos um sistema termicamente isolado.”
Mas fechar comportas e cessar o riacho impede apenas o trabalho (fluxos mecânicos), não o fluxo de chuvas/evaporação (calor). Portanto esse procedimento corresponderia a um sistema mecanicamente isolado (isochoric), não ao termicamente isolado (adiabático). Logo (b) está incorreta? Vamos prosseguir para comparar com as demais.

Passo 4

Analisando a alternativa (c):
“O fluxo de água por chuvas e evaporação (calor) pode ser determinado por:
fluxo que entrou da fonte – que saiu pela comporta – variação de volume.”
Mas pela conservação (primeira lei) deve valer
Q = \Delta U + W,
isto é,
\text{chuvas/evaporação} = \Delta V + (\text{riacho/comporta}),çã
e não com sinal “menos \Delta V” como afirmado em (c). Portanto (c) está definitivamente incorreta.

Passo 5

Analisando a alternativa (d):
“O fluxo pelo riacho e pelas comportas é análogo ao trabalho e pode ser medido por hidrômetros.”
Isto bate perfeitamente com a ideia de medir W por dispositivos mecânicos. Logo (d) é correta.

Passo 6

Analisando a alternativa (e):
“Não faz sentido falar em quantidade de calor contida, pois calor não é variável de estado.”
Isto está de acordo com a definição de calor como processo e não variável de estado. Logo (e) é correta.

Resposta

c. o fluxo através de chuvas e evaporação não pode ser calculado como “entrada pela fonte menos saída pela comporta menos variação de volume”, pois isso inverte os sinais da Primeira Lei.

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