1. 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.

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 \,U: energia associada à energia microscópica do sistema (energia cinética e potencial das moléculas, ligações, etc.). Para um gás ideal monoatômico, por exemplo, U depende essencialmente da temperatura.
  • Calor \,Q: energia trocada devido à diferença de temperatura entre sistema e vizinhança (modo de transferência de energia). Por convenção aqui, Q>0 quando entra no sistema.
  • Trabalho \,W: energia trocada quando há força deslocando algo (por exemplo, compressão/expansão contra um pistão). Nesta explicação vou usar a convenção usual em física: W é o trabalho realizado pelo sistema sobre a vizinhança. Assim, W>0 quando o sistema realiza trabalho (energia sai do sistema por trabalho).

Passo 3

Primeira Lei da Termodinâmica (fórmula central para decidir as alternativas):
\Delta U = Q - W
Explicação detalhada da fórmula:
  • \Delta U é a variação da energia interna do sistema.
  • Q é o calor fornecido ao sistema (positivo se entra).
  • W é o trabalho realizado pelo sistema sobre a vizinhança (positivo se o sistema faz trabalho).
    Interpretação prática:
  • Se Q>0 e W=0, então \Delta U>0: o sistema aquece (energia interna aumenta).
  • Se Q=0 e W>0 (o sistema realiza trabalho sem receber calor), então \Delta U = -W < 0: energia interna diminui — o sistema tende a resfriar.
  • Se Q=0 e W<0 (trabalho é realizado sobre o sistema — compressão), então \Delta U = -W > 0: 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 U.

Passo 4

Análise da alternativa (a):
  • Afirmação: “Um sistema termodinâmico só pode ser aquecido se receber calor.”
  • Usando a Primeira Lei: existe a possibilidade Q=0 e W<0 (trabalho realizado sobre o sistema), o que leva a \Delta U>0. 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 U 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 ( \Delta U = Q - W), claramente W aparece diretamente: se W muda (o sistema realiza trabalho ou recebe trabalho), \Delta U pode mudar mesmo que Q seja zero.
  • Exemplos:
    • Sistema realiza trabalho ( W>0) sem calor: \Delta U<0 (energia interna diminui).
    • Trabalho é realizado sobre o sistema ( W<0): \Delta U>0 (energia interna aumenta).
  • Conclusão: a afirmação (b) é verdadeira. Trabalho e calor são mecanismos que alteram U.

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 ( W>0) e, com Q=0, tem \Delta U = -W < 0, 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 ( Q>0) enquanto a temperatura permanece constante durante a vaporização — o calor recebido é usado para mudança de fase (calor latente), sem alterar T.
    • Processo isotérmico: um gás pode receber calor e realizar trabalho ao mesmo tempo de forma que \Delta U=0. Pela Primeira Lei, se \Delta U=0 então Q = W: o calor recebido é inteiramente convertido em trabalho, mantendo a temperatura constante.
  • 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)

Exercícios relacionados