UFJF 2024 (PISM, Módulo II) — questão 15 de Física

Resolução comentada

O que a questão pede: escolher a única afirmação compatível com a segunda lei da Termodinâmica.

Passo 1 — o que a segunda lei diz. Em três formas equivalentes: (1) calor não passa espontaneamente do frio para o quente; para isso é preciso gastar trabalho e jogar calor numa fonte quente (enunciado de Clausius); (2) nenhuma máquina térmica cíclica transforma integralmente calor em trabalho: parte tem de ir para uma fonte fria (enunciado de Kelvin-Planck); (3) a entropia de um sistema isolado nunca diminui. O rendimento máximo de uma máquina térmica (Carnot) mostra o papel da fonte fria:

$$\eta_{\text{máx}} = 1 - \frac{T_{\text{fria}}}{T_{\text{quente}}}$$

Passo 2 — alternativa D. Um motor a combustão é uma máquina térmica: produz trabalho porque recebe calor de algo quente e rejeita parte dele para o ambiente, mais frio. Se o ambiente estivesse tão quente quanto o motor, não haveria diferença de temperatura: $T_{\text{fria}} = T_{\text{quente}}$ e $\eta_{\text{máx}} = 0$. Nenhum trabalho. Correta.

Passo 3 — alternativa A. O ar-condicionado tira calor do ambiente e o despeja do lado de fora; por isso a parte quente (o condensador) fica fora da sala. Se o aparelho inteiro estivesse dentro de um ambiente isolado, o calor retirado voltaria para o mesmo ambiente, somado à energia elétrica consumida: a sala esquentaria, como acontece quando se deixa a geladeira aberta numa cozinha fechada. Falsa.

Passo 4 — alternativa B. Converter integralmente em trabalho a energia liberada na queima contraria o enunciado de Kelvin-Planck: sempre há calor rejeitado, e não é questão de tecnologia. Falsa.

Passo 5 — alternativa C. A palavra “sempre” a derruba. Contraexemplo: um gás que se expande livremente para o vácuo dentro de um recipiente isolado não recebe nem cede calor (as duas quantidades são iguais, zero), e mesmo assim sua entropia aumenta, porque o processo é irreversível. Falsa.

Passo 6 — alternativa E. A evaporação de uma poça é espontânea: a água vai para o ar e não volta sozinha para a poça. Processos espontâneos reais são irreversíveis e aumentam a entropia total. Falsa.

⚠️ A armadilha: a alternativa C, que parece um balanço “justo”: entrou tanto calor quanto saiu, então nada mudou. A entropia não é um balanço de calor; processos internos irreversíveis criam entropia mesmo sem troca líquida de calor.

A ideia em uma frase: máquina térmica só funciona entre uma fonte quente e uma fria; sem diferença de temperatura não há trabalho, e nenhuma tecnologia escapa disso.

Resposta: alternativa D (sem ambiente mais frio que o motor, a máquina térmica não funciona).