Qual dos seguintes processos não pode ser considerado um processo reversível?
a) O processo de um pistão comprimindo o ar dentro de um cilindro
b) O enchimento de um balão
c) O estiramento de uma faixa de borracha
d) O congelamento de água em gelo em um refrigerador
a) O processo de um pistão comprimindo o ar dentro de um cilindro
b) O enchimento de um balão
c) O estiramento de uma faixa de borracha
d) O congelamento de água em gelo em um refrigerador
Passo 1
O enunciado pede que eu escolha, entre quatro processos, qual deles NÃO PODE ser considerado um processo reversível. As informações que tenho são apenas as descrições dos quatro processos:
- (a) O processo de um pistão comprimindo o ar dentro de um cilindro.
- (b) O enchimento de um balão.
- (c) O estiramento de uma faixa de borracha.
- (d) O congelamento de água em gelo em um refrigerador.
O objetivo é identificar qual desses processos é essencialmente irreversível (ou seja, que não pode ser feito de forma reversível, mesmo em princípio).
Passo 2
O que significa “processo reversível” em termodinâmica? Vou explicar de forma prática e sem mistérios.
- Um processo reversível é um processo ideal que pode ser revertido por mudanças infinitesimais nas condições, sem deixar mudanças permanentes no sistema ou no entorno.
- Termo-chave: não pode haver produção de entropia. Em TeX:
para um processo reversível. Se houver geração interna de entropia,
o processo é irreversível.
Fontes comuns de irreversibilidade:
- atrito e dissipação interna (calor gerado por atrito),
- fluxo de calor através de uma diferença finita de temperatura (isto gera entropia),
- escoamentos turbulentos ou expansões não controladas (expansão livre),
- processos com histerese ou deformações plásticas (energia dissipada internamente).
Para um processo ser reversível em princípio, precisa ser realizado quasi‑estaticamente (infinitesimalmente devagar), sem atrito, sem diferenças finitas de temperatura durante troca de calor e sem transformações dissipativas internas.
Passo 3
Análise do item (a): “O processo de um pistão comprimindo o ar dentro de um cilindro.”
- Em princípio é possível realizar uma compressão reversível: basta comprimir quasi‑staticamente (passos infinitesimais) e sem atrito entre pistão e cilindro, e fazer as trocas de calor com o ambiente também reversivelmente (isto é, por diferença infinitesimal de temperatura).
- Portanto, embora compressões reais geralmente tenham atrito e perdas (logo são irreversíveis), o processo descrito pode ser considerado reversível em princípio se idealizado (sem atrito, quasi‑estático). Conclusão: (a) pode ser reversível na idealização.
Passo 4
Análise do item (b): “O enchimento de um balão.”
- O enchimento típico de um balão envolve escoamento do gás para dentro por diferença de pressão finita e deformação do material do balão (borracha) que normalmente apresenta histerese e dissipação. Além disso, o influxo de gás é um processo dinâmico com perdas viscosas.
- Pode imaginar inflar muito lentamente e controladamente, mas o processo de um balão real envolve sempre forças tensoriais de superfície e propriedades da borracha que provocam dissipação. Em muitos enunciados de termodinâmica o enchimento de um balão é considerado irreversível por causa dessas dissipações internas e pelo fato de que é necessário um excesso de pressão para iniciar o inflamento (diferença finita).
- Conclusão: enchimento de um balão, na prática, é irreversível; mas se alguém idealizasse o material como um elástico perfeitamente reversível e controlasse o fluxo infinitesimalmente, poderia tentar aproximar reversibilidade — contudo, para um balão de borracha real, há irreversibilidades intrínsecas.
Passo 5
Análise do item (c): “O estiramento de uma faixa de borracha.”
- Deformação de sólidos pode ser reversível se a deformação for elástica e sem histerese (isto é, um corpo perfeitamente elástico). No entanto, uma faixa de borracha real apresenta histerese: ao esticar e soltar, parte da energia é dissipada como calor, o que implica geração de entropia.
- Assim como no balão, o estiramento de borracha real é tipicamente irreversível devido a mecanismos internos (rearranjo molecular, atrito interno). Em teoria, um material perfeitamente elástico sem perdas poderia ser estirado reversivelmente.
- Conclusão: estiramento de uma faixa de borracha é, na prática, irreversível; mas não é impossível em princípio se o material fosse ideal e sem histerese.
Passo 6
Análise do item (d): “O congelamento de água em gelo em um refrigerador.”
- Para que um processo de congelamento seja reversível, a remoção do calor latente deve ocorrer sem diferença de temperatura entre a água em congelamento e o reservatório que recebe o calor — isto é, por trocas de calor infinitesimais e mantendo o sistema praticamente em equilíbrio de fase. Em princípio, isso é possível: congelar lentamente em contato com um reservatório exatamente à temperatura de fusão (
C) pode ser realizado reversivelmente (idealmente ). - Porém, no caso específico de um refrigerador comum, o congelamento ocorre retirando calor da água para o circuito frigorífico que está a uma temperatura menor que
C, ou seja, há transferência de calor através de uma diferença finita de temperatura. Além disso, o próprio ciclo do refrigerador (compressor, válvulas, dissipação) é irreversível e gera entropia. Logo, o congelamento dentro de um refrigerador implica necessariamente irreversibilidades práticas: calor retirado através de diferença finita de temperatura e perdas no ciclo frigorífico. - Em resumo: embora o estado físico “água → gelo” possa ser obtido reversivelmente em princípio se tudo for feito idealmente, a descrição explícita “em um refrigerador” indica um processo que, realisticamente e praticamente, não pode ser reversível por causa das trocas de calor finitas e das irreversibilidades do aparelho.
Passo 7
Comparando todos os itens com a definição de reversibilidade:
- (a) pode ser reversível em princípio (compressão quasi‑estática, sem atrito).
- (b) e (c) normalmente envolvem materiais elásticos reais com histerese e escoamento dissipativo — são tipicamente irreversíveis na prática, embora possa-se imaginar materiais ideais.
- (d) quando especificado “em um refrigerador” inclui trocas de calor através de diferenças finitas de temperatura e o ciclo frigorífico que é irreversível. Essa irreversibilidade não é apenas uma questão de material real: está ligada ao modo operacional (transferência de calor para um meio mais frio e ao funcionamento não‑reversível do refrigerador). Portanto (d) é um caso que, dado o cenário real descrito, não pode ser considerado reversível.
Passo 8
Escolha final com justificativa curta e firme: o congelamento em um refrigerador envolve sempre transferência de calor através de diferença finita de temperatura e irreversibilidades do ciclo frigorífico (compressor, perdas), o que gera entropia e impede reversibilidade.
Resposta
d) O congelamento de água em gelo em um refrigerador