UFRGS 2022 — questão 23 de Física
Enunciado em texto
Considere a máquina térmica representada na figura abaixo.
[Figura: à esquerda, o banho térmico ; à direita, o banho térmico ; no meio, a máquina (um círculo). Uma seta vai de para a máquina; uma seta vai da máquina para ; uma seta W sai da máquina para baixo.]
Em um ciclo da máquina, e são, respectivamente, as quantidades de calor adicionadas ao banho térmico e retiradas do banho térmico , e W é o trabalho realizado pela máquina. Se o trabalho é positivo, então algumas das possibilidades para as quantidades de calor envolvidas são
1.
2.
3. ;
Assinale a alternativa que descreve as possibilidades fisicamente corretas.
(A) Apenas 1.
(B) Apenas 2.
(C) Apenas 3.
(D) Apenas 1 e 2.
(E) 1, 2 e 3.
(Enunciado e figura: Concurso Vestibular UFRGS 2022, Física — UFRGS.)
Transcrição do enunciado original da prova, reproduzido para fins de estudo. Todos os direitos do enunciado pertencem à Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS), Comissão Permanente de Seleção (COPERSE).
Resolução comentada
O que a questão pede: quais combinações de e são compatíveis com a máquina realizar trabalho positivo, sem violar as leis da termodinâmica.
Passo 1 — primeira lei (conservação da energia). Num ciclo, a energia interna da máquina não muda. O que ela retira do banho quente sai como trabalho ou como calor para o banho frio:
Passo 2 — possibilidade 2. Se , então . Contradiz o enunciado (trabalho positivo): a máquina estaria entregando mais energia do que recebe. Impossível, pela primeira lei.
Passo 3 — possibilidade 3. quer dizer que a máquina também retira calor do banho frio. Aí ela tiraria calor dos dois banhos e transformaria tudo em trabalho, , sem rejeitar nada para lugar algum. A energia se conserva, mas isso viola a segunda lei (enunciado de Kelvin-Planck): nenhuma máquina cíclica converte integralmente calor em trabalho; ela precisa rejeitar parte do calor para a fonte fria. Impossível.
Passo 4 — possibilidade 1. : a máquina retira do quente, rejeita para o frio e faz . É o funcionamento normal de uma máquina térmica. Possível (desde que o rendimento não passe o de Carnot, , o que é sempre possível de arranjar).
⚠️ A armadilha: aceitar a possibilidade 3 porque “a energia fecha”. A primeira lei é necessária, mas não basta: a segunda lei proíbe a máquina de não rejeitar calor para a fonte fria. Quem esquece disso marca a (E) ou outra que inclua a 3.
A ideia em uma frase: uma máquina térmica tira calor da fonte quente, transforma parte em trabalho e obrigatoriamente joga o resto na fonte fria: Q₂ > Q₁ > 0.
Resposta: alternativa A (apenas 1).
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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