UEA 2017 — questão 67 de Física

Gabarito DTermodinâmica — balanço de energia num ciclo (primeira lei)Vestibular · Prova I · Conhecimentos Gerais
Enunciado — imagem da prova
Enunciado da questão 67 de Física do UEA 2017

Enunciado em texto

Leia o texto para responder às questões 66 e 67.

Uma amostra de massa constante de gás ideal sofre a transformação cíclica ABCA representada no diagrama. A etapa AB é isobárica, BC é isovolumétrica e CA é isotérmica.

[Diagrama P × V: o ciclo ABCA percorrido no sentido horário. A etapa AB é um segmento horizontal na pressão PA=PBP_A = P_B, de VAV_A até VBV_B (seta para a direita); a etapa BC é um segmento vertical em VB=VCV_B = V_C, descendo até a pressão PCP_C (seta para baixo); a etapa CA é um arco de hipérbole (isoterma), que sobe de C até A (seta apontando para A). Uma linha tracejada prolonga a hipérbole para além de A e de C.]

Para ocorrer a etapa AB, o gás recebe de uma fonte quente uma quantidade QABQ_{AB} de calor. Nas etapas BC e CA, o gás cede para uma fonte fria as quantidades QBCQ_{BC} e QCAQ_{CA} de calor. Em cada ciclo realizado as forças exercidas pelo gás realizam um trabalho mecânico W.

Considerando os módulos de QABQ_{AB}, QBCQ_{BC}, QCAQ_{CA} e W, é correto afirmar que

(A) QAB=QBC−QCA−WQ_{AB} = Q_{BC} - Q_{CA} - W.

(B) QAB<QBC+QCA+WQ_{AB} < Q_{BC} + Q_{CA} + W.

(C) QAB>QBC+QCA+WQ_{AB} > Q_{BC} + Q_{CA} + W.

(D) QAB=QBC+QCA+WQ_{AB} = Q_{BC} + Q_{CA} + W.

(E) QAB=QBC+QCA−WQ_{AB} = Q_{BC} + Q_{CA} - W.

(Enunciado e figura: Vestibular UEA 2017, Prova de Conhecimentos Gerais — UEA/Vunesp.)

Transcrição do enunciado original da prova, reproduzido para fins de estudo. Todos os direitos do enunciado pertencem à Universidade do Estado do Amazonas (UEA) e à Fundação VUNESP.

Resolução comentada

O que a questão pede: a relação entre o calor recebido, os calores cedidos e o trabalho num ciclo completo.

Passo 1 — a primeira lei num ciclo. Ao fim do ciclo o gás volta ao estado inicial, então a variação de energia interna é zero:

ΔU=Qtotal−W=0\Delta U = Q_{\text{total}} - W = 0

⇒  W=Qtotal\Rightarrow\; W = Q_{\text{total}}

Passo 2 — o calor total, com os sinais. O gás recebe QABQ_{AB} e cede QBCQ_{BC} e QCAQ_{CA} (todos em módulo):

W=QAB−QBC−QCAW = Q_{AB} - Q_{BC} - Q_{CA}

Passo 3 — isolar o calor recebido:

QAB=QBC+QCA+WQ_{AB} = Q_{BC} + Q_{CA} + W

É a conservação da energia: tudo o que entra (calor da fonte quente) sai como calor para a fonte fria ou como trabalho. Faz sentido também pelo gráfico: o ciclo é horário, então o trabalho líquido do gás é positivo.

⚠️ A armadilha: errar o sinal do trabalho e marcar a E. Num ciclo que funciona como máquina, o trabalho W é energia que sai do gás, assim como os calores cedidos; por isso os três se somam para igualar o calor recebido.

A ideia em uma frase: num ciclo ΔU = 0: o calor que entra é igual ao calor que sai mais o trabalho realizado.

Resposta: alternativa D (QAB=QBC+QCA+WQ_{AB} = Q_{BC} + Q_{CA} + W).

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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