- A termodinâmica é muito importante para o estudo de diversas áreas, tendo inclusive um papel histórico muito relevante no desenvolvimento da sociedade moderna. Sobre os conceitos iniciais dessa área, marque a alternativa correta.
a) Um sistema termodinâmico só pode ser aquecido se receber calor.
b) A realização de trabalho pelo sistema ou sobre ele pode alterar sua energia interna.
c) É impossível resfriar um gás sem ocorrência de trocas de calor do sistema com a vizinhança.
d) É impossível o sistema receber calor da vizinhança e, mesmo assim, sua temperatura permanecer constante.
e) Em um sistema fechado, não ocorre transferência de energia nem de massa do sistema para a vizinhança.
a) Um sistema termodinâmico só pode ser aquecido se receber calor.
b) A realização de trabalho pelo sistema ou sobre ele pode alterar sua energia interna.
c) É impossível resfriar um gás sem ocorrência de trocas de calor do sistema com a vizinhança.
d) É impossível o sistema receber calor da vizinhança e, mesmo assim, sua temperatura permanecer constante.
e) Em um sistema fechado, não ocorre transferência de energia nem de massa do sistema para a vizinhança.
Passo 1
O enunciado pede para marcar a alternativa correta entre as opções dadas (a, b, c, d, e). Vou listar claramente as cinco afirmações que precisam ser avaliadas:
- (a) Um sistema termodinâmico só pode ser aquecido se receber calor.
- (b) A realização de trabalho pelo sistema ou sobre ele pode alterar sua energia interna.
- (c) É impossível resfriar um gás sem ocorrência de trocas de calor do sistema com a vizinhança.
- (d) É impossível o sistema receber calor da vizinhança e, mesmo assim, sua temperatura permanecer constante.
- (e) Em um sistema fechado, não ocorre transferência de energia nem de massa do sistema para a vizinhança.
O objetivo é analisar cada afirmação com conceitos básicos de termodinâmica e decidir qual delas é correta.
Passo 2
Conceitos fundamentais (bem mastigados, sem pular etapas):
- Sistema e vizinhança: o “sistema” é a porção do mundo que estudamos; “vizinhança” ou entorno é o resto.
- Tipos de sistema:
- Sistema aberto: troca massa e energia com a vizinhança.
- Sistema fechado: troca energia (calor e trabalho) mas não troca massa com a vizinhança.
- Sistema isolado: não troca nem massa nem energia com a vizinhança.
- Energia interna
: energia associada à energia microscópica do sistema (energia cinética e potencial das moléculas, ligações, etc.). Para um gás ideal monoatômico, por exemplo, depende essencialmente da temperatura. - Calor
: energia trocada devido à diferença de temperatura entre sistema e vizinhança (modo de transferência de energia). Por convenção aqui, quando entra no sistema. - Trabalho
: energia trocada quando há força deslocando algo (por exemplo, compressão/expansão contra um pistão). Nesta explicação vou usar a convenção usual em física: é o trabalho realizado pelo sistema sobre a vizinhança. Assim, quando o sistema realiza trabalho (energia sai do sistema por trabalho).
Passo 3
Primeira Lei da Termodinâmica (fórmula central para decidir as alternativas):
Explicação detalhada da fórmula:
-
é a variação da energia interna do sistema. -
é o calor fornecido ao sistema (positivo se entra). -
é o trabalho realizado pelo sistema sobre a vizinhança (positivo se o sistema faz trabalho).
Interpretação prática: - Se
e , então : o sistema aquece (energia interna aumenta). - Se
e (o sistema realiza trabalho sem receber calor), então : energia interna diminui — o sistema tende a resfriar. - Se
e (trabalho é realizado sobre o sistema — compressão), então : energia interna aumenta — o sistema tende a aquecer.
Essa lei mostra claramente que calor e trabalho são duas formas de transferência de energia que podem alterar
.
Passo 4
Análise da alternativa (a):
- Afirmação: “Um sistema termodinâmico só pode ser aquecido se receber calor.”
- Usando a Primeira Lei: existe a possibilidade
e (trabalho realizado sobre o sistema), o que leva a . Um exemplo clássico: compressão adiabática (sem troca de calor) de um gás num pistão — a compressão faz com que a temperatura do gás aumente mesmo sem calor trocado. - Conclusão: a afirmação (a) é falsa. É possível aquecer (elevar
e temperatura) somente fazendo trabalho sobre o sistema.
Passo 5
Análise da alternativa (b):
- Afirmação: “A realização de trabalho pelo sistema ou sobre ele pode alterar sua energia interna.”
- Pela Primeira Lei (
), claramente aparece diretamente: se muda (o sistema realiza trabalho ou recebe trabalho), pode mudar mesmo que seja zero. - Exemplos:
- Sistema realiza trabalho (
) sem calor: (energia interna diminui). - Trabalho é realizado sobre o sistema (
): (energia interna aumenta).
- Sistema realiza trabalho (
- Conclusão: a afirmação (b) é verdadeira. Trabalho e calor são mecanismos que alteram
.
Passo 6
Análise da alternativa (c):
- Afirmação: “É impossível resfriar um gás sem ocorrência de trocas de calor do sistema com a vizinhança.”
- Contraexemplo: expansão adiabática reversível (por exemplo, expansão de um gás empurrando um pistão sem troca de calor) — o gás realiza trabalho (
) e, com , tem , ou seja, sua energia interna diminui e a temperatura cai. Outro fenômeno prático: a expansão em um processo adiabático rápido (por exemplo, em dispositivos de refrigeração) leva ao resfriamento sem troca de calor com o entorno. - Nota: existem também efeitos como o efeito Joule–Thomson, que podem resfriar gases em desacoplamento de calor, mas o exemplo adiabático já basta.
- Conclusão: (c) é falsa.
Passo 7
Análise da alternativa (d):
- Afirmação: “É impossível o sistema receber calor da vizinhança e, mesmo assim, sua temperatura permanecer constante.”
- Contraexemplos claros:
- Mudança de fase: ao ferver água, o sistema recebe calor (
) enquanto a temperatura permanece constante durante a vaporização — o calor recebido é usado para mudança de fase (calor latente), sem alterar . - Processo isotérmico: um gás pode receber calor e realizar trabalho ao mesmo tempo de forma que
. Pela Primeira Lei, se então : o calor recebido é inteiramente convertido em trabalho, mantendo a temperatura constante.
- Mudança de fase: ao ferver água, o sistema recebe calor (
- Conclusão: (d) é falsa.
Passo 8
Análise da alternativa (e):
- Afirmação: “Em um sistema fechado, não ocorre transferência de energia nem de massa do sistema para a vizinhança.”
- Definição correta: num sistema fechado não há transferência de massa, mas pode haver transferência de energia (na forma de calor e trabalho). Somente num sistema isolado não ocorre transferência nem de massa nem de energia.
- Assim, a afirmação (e) erra ao dizer que também não ocorre transferência de energia.
- Conclusão: (e) é falsa.
Passo 9
Síntese final e escolha:
- Das cinco alternativas, apenas a (b) é compatível com a Primeira Lei da Termodinâmica e com exemplos físicos. As demais apresentam afirmações que já foram refutadas por exemplos (compressão adiabática, expansão adiabática, mudança de fase, definição de sistema fechado).
Força aí — acertar termodinâmica requer entender essas ideias básicas: calor, trabalho, energia interna e os tipos de sistema. Lembra que a Primeira Lei é a sua ferramenta número um pra essas questões.
Resposta
b)