UFJF 2022 (PISM, Módulo II) — questão 15 de Física

Enunciado em texto
Fernanda é uma estudante de Engenharia da UFJF. O seu laboratório recebeu um motor que possui um ciclo muito particular. Junto com essa máquina térmica, a pessoa que fez o motor enviou um manual técnico no qual fez várias afirmações sobre o funcionamento da máquina, além de um gráfico mostrando o seu ciclo de funcionamento. Esse gráfico pode ser visto na Figura 2, onde se nota que os pontos "A", "B", "C" e "D" possuem informações de pressão e volume expressas nele. Como Fernanda aprendeu bastante sobre Física Térmica, ela percebeu que das cinco afirmações abaixo que estavam no manual técnico, somente uma é verdadeira. Escolha essa afirmação.
[Gráfico: eixo vertical , com marcas em 1,0 e 2,0; eixo horizontal V(L), com marcas em 1,0, 2,0 e 4,0. O ciclo tem quatro pontos: A (V = 1,0 L; P = 2,0), B (V = 4,0 L; P = 2,0), C (V = 4,0 L; P = 1,0) e D (V = 2,0 L; P = 1,0). De A a B, segmento horizontal com seta para a direita; de B a C, segmento vertical com seta para baixo; de C a D, segmento horizontal com seta para a esquerda; de D a A, segmento reto inclinado com seta para cima e para a esquerda. Linhas tracejadas ligam os pontos aos eixos.]
Figura 2: Gráfico de pressão por volume do ciclo "ABCDA" seguido pelo motor citado no enunciado da questão.
A) O caminho percorrido de "D" para "A" constitui um processo termodinâmico isotérmico.
B) Ao iniciar o ciclo no ponto "A" e seguir através do caminho "ABCDA", esse motor realiza 500J de trabalho.
C) No ciclo de funcionamento desse motor não existe processo termodinâmico a volume constante.
D) Sabendo que a substância de trabalho desse motor é 1,0 mol de um gás ideal e conhecendo a constante universal dos gases ideais, R = 8,3 J/(mol.K), é possível obter a temperatura do ponto "A".
E) Basta conhecer as temperaturas máxima e mínima de funcionamento desse motor para descobrir o seu rendimento.
(Enunciado e figura: PISM 2022 (UFJF), Módulo II, 2º dia — Universidade Federal de Juiz de Fora (COPESE).)
Transcrição do enunciado original da prova, reproduzido para fins de estudo. Todos os direitos do enunciado pertencem à Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF) e à sua Coordenação Geral de Processos Seletivos (COPESE).
Resolução comentada
O que a questão pede: a única afirmação verdadeira sobre o ciclo ABCDA.
Passo 1 — unidades. Pressão em N/m² e volume em litros (). Cada “unidade de área” do gráfico (1 × 10⁵ N/m² × 1 L) vale
Passo 2 — alternativa A (DA isotérmico?). Para o gás ideal, : numa isoterma, o produto é constante. Nas pontas, e : iguais, então . Mas no meio do segmento reto (1,5 L; 1,5 × 10⁵ N/m²) o produto é 2,25, maior. A temperatura sobe e depois volta: o caminho não é isotérmico (a isoterma seria uma hipérbole, não uma reta). Falsa.
Passo 3 — alternativa B (trabalho do ciclo). O trabalho no ciclo é a área dentro dele, positivo porque o ciclo é percorrido no sentido horário. A figura é um trapézio com bases AB = 3,0 L e DC = 2,0 L e altura 1,0 × 10⁵ N/m²:
Não são 500 J. Falsa.
Passo 4 — alternativa C. O trecho BC é vertical: o volume fica em 4,0 L enquanto a pressão cai. É um processo a volume constante (isocórico). Falsa.
Passo 5 — alternativa D. No ponto A se conhecem e ; com mol e J/(mol·K), a equação de Clapeyron dá a temperatura:
É possível, sim. Verdadeira.
Passo 6 — alternativa E. Só com as temperaturas máxima e mínima se calcula o rendimento de uma máquina de Carnot, que é o limite máximo para qualquer motor entre essas temperaturas. Este ciclo não é de Carnot; o rendimento dele é o trabalho dividido pelo calor recebido, e isso exige conhecer as trocas de calor em cada etapa. Falsa.
⚠️ A armadilha: a alternativa B. Quem calcula o trabalho errado (por exemplo, a área sob AB, que dá 600 J, ou um retângulo inteiro em vez do trapézio) pode se convencer de qualquer número. O trabalho do ciclo é só a área interna: 250 J.
A ideia em uma frase: no diagrama p × V, a área interna do ciclo é o trabalho, segmento vertical é isocórico, reta inclinada não é isoterma, e com p, V, n e R a equação de Clapeyron dá a temperatura de qualquer ponto.
Resposta: alternativa D (com n e R, a equação de Clapeyron dá a temperatura de A).
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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