8- Sobre a transferência de energia por diferença de temperatura (transferência na forma de calor) Q do entorno para um sistema e a variação \Delta Etérmica na energia térmica desse sistema, assinale abaixo a afirmativa correta. Escolha uma ou mais:
a) Q e \Delta Etérmica são ambos sempre positivos.
b) Q e \Delta Etérmica não têm o mesmo significado físico, mas têm sempre valores iguais.
c) \Delta Etérmica pode ser diferente de zero mesmo que Q seja zero.
d) Q e \Delta Etérmica têm o mesmo significado físico.

Passo 1

O enunciado pede que eu escolha qual(is) afirmativa(s) entre (a) a (d) estão corretas sobre a transferência de energia por diferença de temperatura Q (energia transferida do entorno para o sistema na forma de calor) e a variação \Delta E_{\text{térmica}}é (variação da energia térmica — energia interna associada ao comportamento microscópico do sistema).
Informações relevantes dadas pelo enunciado:
  • Q é a energia transferida por diferença de temperatura do entorno para o sistema (se Q>0, energia entra no sistema; se Q<0, sai do sistema).
  • \Delta E_{\text{térmica}}é é a variação da energia térmica do sistema (ou seja, a variação da sua energia interna relacionada à temperatura/estado interno).
    As alternativas a avaliar são:
    a) Q e \Delta E_{\text{térmica}}é são ambos sempre positivos.
    b) Q e \Delta E_{\text{térmica}}é não têm o mesmo significado físico, mas têm sempre valores iguais.
    c) \Delta E_{\text{térmica}}é pode ser diferente de zero mesmo que Q seja zero.
    d) Q e \Delta E_{\text{térmica}}é têm o mesmo significado físico.

Passo 2

Definição e significado físico de Q:
Q é a energia transferida entre sistema e entorno exclusivamente por diferença de temperatura (calor). É uma forma de transferência de energia, não uma propriedade do sistema. Se o entorno fornece calor ao sistema, então \,Q>0; se o sistema perde calor para o entorno, \,Q<0. Importante: Q mede transferência, não “o quanto de energia já armazenada” no sistema.

Passo 3

Definição e significado físico de \Delta E_{\text{térmica}}é:
\Delta E_{\text{térmica}}é é a variação da energia térmica (energia interna) do sistema — é uma mudança de uma propriedade do próprio sistema entre dois estados. Como propriedade de estado, \Delta E_{\text{térmica}}é depende apenas dos estados inicial e final, não do caminho. Já Q depende do processo. Ou seja, significados diferentes: Q = energia transferida; \Delta E_{\text{térmica}}é = mudança na energia interna do sistema.

Passo 4

Enunciado da Primeira Lei da Termodinâmica (forma utilizada aqui) e explicação das variáveis:
\Delta U = Q + W_{\text{on}}
onde:
  • \Delta U (que aqui corresponde a \Delta E_{\text{térmica}}é) é a variação da energia interna do sistema;
  • Q é o calor transferido para o sistema (positivo quando entra);
  • W_{\text{on}} é o trabalho feito sobre o sistema (positivo quando o entorno faz trabalho sobre o sistema).
Explicação didática: a primeira lei diz que a mudança da energia interna do sistema vem de duas fontes possíveis — calor que entrou ( Q) e trabalho que foi feito sobre ele ( W_{\text{on}}). Se preferir outra convenção (trabalho feito pelo sistema), escreve-se \Delta U = Q - W; o conteúdo físico é o mesmo, só muda o sinal do termo de trabalho.

Passo 5

Consequência direta da fórmula para comparar Q e \Delta E_{\text{térmica}}é:
  • Se W_{\text{on}} \neq 0, então em geral \Delta U \neq Q. Ou seja, Q e \Delta E_{\text{térmica}}é não são sempre iguais; são iguais somente se W_{\text{on}}=0 (processo sem trabalho).
  • Portanto a alternativa (b) (“não têm o mesmo significado físico, mas têm sempre valores iguais”) é falsa — de fato eles não têm o mesmo significado e também não têm sempre valores iguais.
  • A alternativa (d) (“ Q e \Delta E_{\text{térmica}}é têm o mesmo significado físico”) é falsa: Q é transferência; \Delta E_{\text{térmica}}é é variação de uma propriedade de estado.

Passo 6

Exemplo concreto que mostra que (c) é verdadeira (ou seja, \Delta E_{\text{térmica}}é pode ser diferente de zero mesmo com Q=0): processo adiabático com compressão.
Considere comprimir um gás rapidamente em um pistão, sem permitir troca de calor com o entorno (adiabático), então Q=0. Se o entorno empurra o pistão e faz trabalho sobre o gás, temos W_{\text{on}}>0. Pela primeira lei:
\Delta U = Q + W_{\text{on}} = 0 + W_{\text{on}} = W_{\text{on}}.
Assim \Delta U>0 (energia interna aumenta) mesmo com Q=0. Exemplo numérico simples: se o trabalho sobre o sistema for W_{\text{on}}=500\\ \text{J}, então \Delta E_{\text{térmica}}=\Delta U=500\\ \text{J}é enquanto Q=0. Isso confirma que (c) é correta.
Como contraexemplo útil: uma expansão isotérmica de um gás ideal tem \Delta U=0 mas Q\neq0 (o calor que entra é exatamente convertido em trabalho que o sistema faz), mostrando ainda mais que Q e \Delta U são quantidades distintas.

Passo 7

Análise das outras alternativas com exemplos curtos:
  • (a) “ Q e \Delta E_{\text{térmica}}é são ambos sempre positivos.” Falso: por exemplo, se o sistema perde calor para o entorno, Q<0; se o sistema faz trabalho e perde energia interna, \Delta U<0. Portanto nenhum dos dois é sempre positivo.
  • (b) já foi discutido e é falso.
  • (d) já foi discutido e é falso.

Passo 8

Conclusão: apenas a alternativa (c) está correta, porque a primeira lei permite variação de energia interna sem transferência de calor, desde que haja trabalho feito sobre (ou pelo) o sistema.

Resposta

c)

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