ENEM 2020 PPL — questão 113 de Física
Enunciado em texto
Tanto a conservação de materiais biológicos como o resfriamento de certos fotodetectores exigem baixas temperaturas que não são facilmente atingidas por refrigeradores. Uma prática comum para atingi-las é o uso de nitrogênio líquido, obtido pela expansão adiabática do gás N₂, contido em um recipiente acoplado a um êmbolo, que resulta no resfriamento em temperaturas que chegam até seu ponto de liquefação em −196 °C. A figura exibe o esboço de curvas de pressão em função do volume ocupado por uma quantidade de gás para os processos isotérmico e adiabático. As diferenças entre esses processos podem ser identificadas com base na primeira lei da termodinâmica, que associa a variação de energia interna à diferença entre o calor trocado com o meio exterior e o trabalho realizado no processo.
No gráfico de pressão por volume, as duas curvas partem do mesmo ponto; a curva adiabática decresce mais rapidamente que a isoterma.
A expansão adiabática viabiliza o resfriamento do N₂ porque
a) a entrada de calor que ocorre na expansão por causa do trabalho contribui para a diminuição da temperatura.
b) a saída de calor que ocorre na expansão por causa do trabalho contribui para a diminuição da temperatura.
c) a variação da energia interna é nula e o trabalho é associado diretamente ao fluxo de calor, que diminui a temperatura do sistema.
d) a variação da energia interna é nula e o trabalho é associado diretamente à entrada de frio, que diminui a temperatura do sistema.
e) o trabalho é associado diretamente à variação de energia interna e não há troca de calor entre o gás e o ambiente.
Transcrição do enunciado original da prova, reproduzido para fins de estudo. Todos os direitos do enunciado pertencem ao ENEM.
Resolução comentada
O que a questão pede: por que uma expansão adiabática resfria o gás.
Passo 1 — o que "adiabático" significa, e é a definição inteira. Processo adiabático é aquele em que não há troca de calor com o meio:
Passo 2 — a primeira lei da termodinâmica com essa condição.
Passo 3 — o que acontece na expansão. O gás empurra o êmbolo, ou seja, realiza trabalho sobre a vizinhança: . Logo:
A energia interna diminui. E, para um gás, energia interna é agitação térmica das moléculas — energia interna menor significa temperatura menor.
É esse o mecanismo que leva o nitrogênio até . Não há geladeira nenhuma envolvida: o gás se resfria sozinho, pagando com a própria energia interna o trabalho que realiza.
Resposta: alternativa E (o trabalho é associado diretamente à variação de energia interna e não há troca de calor entre o gás e o ambiente).
Por que as outras caem — e as quatro erram na mesma coisa: inventam calor onde .
(A) e (B) falam em "entrada de calor" e "saída de calor" na expansão. Num processo adiabático não há entrada nem saída de calor. Isso já as elimina, sem discussão.
(C) e (D) dizem que "a variação da energia interna é nula" — isso é a definição do processo isotérmico, a outra curva do gráfico, não do adiabático. E a (D) ainda fala em "entrada de frio", que não existe.
O que o gráfico está dizendo. As duas curvas partem do mesmo ponto, mas a adiabática cai mais rápido. Faz sentido: na isotérmica a temperatura se mantém (o gás recebe calor do meio para compensar o trabalho); na adiabática a temperatura cai junto com a pressão, porque não há esse socorro externo. A curva mais íngreme é a assinatura visual do resfriamento.
A ideia em uma frase: sem calor entrando, o trabalho de expansão só pode ser pago com a energia interna — e pagar significa esfriar.
Vídeo em breve
A resolução em vídeo desta questão ainda não foi gravada. A explicação escrita acima está completa, passo a passo. Novos vídeos saem no canal do Professor Filatte.
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