8- Sobre a transferência de energia por diferença de temperatura (transferência na forma de calor) Q do entorno para um sistema e a variação
Etérmica na energia térmica desse sistema, assinale abaixo a afirmativa correta. Escolha uma ou mais:
a) Q e
Etérmica são ambos sempre positivos.
b) Q e
Etérmica não têm o mesmo significado físico, mas têm sempre valores iguais.
c)
Etérmica pode ser diferente de zero mesmo que Q seja zero.
d) Q e
Etérmica têm o mesmo significado físico.
a) Q e
b) Q e
c)
d) Q e
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
(energia transferida do entorno para o sistema na forma de calor) e a variação
(variação da energia térmica — energia interna associada ao comportamento microscópico do sistema).
Informações relevantes dadas pelo enunciado:
Informações relevantes dadas pelo enunciado:
-
é a energia transferida por diferença de temperatura do entorno para o sistema (se , energia entra no sistema; se , sai do sistema). -
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)e são ambos sempre positivos.
b)e não têm o mesmo significado físico, mas têm sempre valores iguais.
c)pode ser diferente de zero mesmo que seja zero.
d)e têm o mesmo significado físico.
Passo 2
Definição e significado físico de
:
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
; se o sistema perde calor para o entorno,
. Importante:
mede transferência, não “o quanto de energia já armazenada” no sistema.
Passo 3
Definição e significado físico de
:
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,
depende apenas dos estados inicial e final, não do caminho. Já
depende do processo. Ou seja, significados diferentes:
= energia transferida;
= mudança na energia interna do sistema.
Passo 4
Enunciado da Primeira Lei da Termodinâmica (forma utilizada aqui) e explicação das variáveis:
onde:
-
(que aqui corresponde a ) é a variação da energia interna do sistema; -
é o calor transferido para o sistema (positivo quando entra); -
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 (
) e trabalho que foi feito sobre ele (
). Se preferir outra convenção (trabalho feito pelo sistema), escreve-se
; o conteúdo físico é o mesmo, só muda o sinal do termo de trabalho.
Passo 5
Consequência direta da fórmula para comparar
e
:
- Se
, então em geral . Ou seja, e não são sempre iguais; são iguais somente se (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) (“
e têm o mesmo significado físico”) é falsa: é transferência; é variação de uma propriedade de estado.
Passo 6
Exemplo concreto que mostra que (c) é verdadeira (ou seja,
pode ser diferente de zero mesmo com
): processo adiabático com compressão.
Considere comprimir um gás rapidamente em um pistão, sem permitir troca de calor com o entorno (adiabático), então . Se o entorno empurra o pistão e faz trabalho sobre o gás, temos
. Pela primeira lei:
Considere comprimir um gás rapidamente em um pistão, sem permitir troca de calor com o entorno (adiabático), então
Assim
(energia interna aumenta) mesmo com
. Exemplo numérico simples: se o trabalho sobre o sistema for
, então
enquanto
. Isso confirma que (c) é correta.
Como contraexemplo útil: uma expansão isotérmica de um gás ideal tem mas
(o calor que entra é exatamente convertido em trabalho que o sistema faz), mostrando ainda mais que
e
são quantidades distintas.
Como contraexemplo útil: uma expansão isotérmica de um gás ideal tem
Passo 7
Análise das outras alternativas com exemplos curtos:
- (a) “
e são ambos sempre positivos.” Falso: por exemplo, se o sistema perde calor para o entorno, ; se o sistema faz trabalho e perde energia interna, . 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)