UFU 2010-2 — questão 16 de Física
Enunciado em texto
Em relação à Primeira e à Segunda Lei da Termodinâmica, é correto afirmar que:
A) Na expansão isotérmica de um gás ideal monoatômico, a temperatura permanece constante e, de acordo com a primeira lei da termodinâmica, a variação da energia é nula. Desse modo, o calor absorvido é convertido completamente em trabalho. Entretanto, pode-se afirmar que a segunda lei da termodinâmica não é violada porque o sistema não está isolado.
B) Na expansão isotérmica de um gás ideal monoatômico, a temperatura permanece constante e, de acordo com a primeira lei da termodinâmica, a variação da energia é nula. Desse modo, o calor absorvido é convertido completamente em trabalho e pode-se afirmar que a segunda lei da termodinâmica é violada, uma vez que esse é um sistema isolado.
C) Na expansão adiabática de um gás ideal monoatômico, a temperatura permanece constante e, de acordo com a primeira lei da termodinâmica, a variação da energia é nula. Desse modo, o calor absorvido é convertido completamente em trabalho e, considerando que esse não é um sistema isolado, pode-se afirmar que a segunda lei da termodinâmica é violada.
D) Na expansão isotérmica de um gás ideal monoatômico, a temperatura permanece constante e, de acordo com a segunda lei da termodinâmica, a variação da energia é nula. Desse modo, o calor absorvido é convertido completamente em trabalho. Entretanto, pode-se afirmar que a primeira lei da termodinâmica não é violada, porque o sistema não está isolado.
(Enunciado: Processo Seletivo UFU 2010-2, 1ª fase — Universidade Federal de Uberlândia.)
Transcrição do enunciado original da prova, reproduzido para fins de estudo. Todos os direitos do enunciado pertencem à Universidade Federal de Uberlândia (UFU) e à sua Diretoria de Processos Seletivos (DIRPS/UFU).
Resolução comentada
O que a questão pede: a única alternativa em que o processo, a lei usada e a conclusão sobre a segunda lei estão todos certos.
Passo 1 — a expansão isotérmica. Num gás ideal, a energia interna depende só da temperatura. Temperatura constante significa , e a primeira lei dá:
Todo o calor absorvido sai como trabalho. Isso é a primeira lei (conservação da energia), não a segunda.
Passo 2 — isso viola a segunda lei? Não. A segunda lei (enunciado de Kelvin-Planck) proíbe uma máquina que, operando em ciclo, transforme integralmente em trabalho o calor retirado de uma única fonte. Na expansão isotérmica, o calor vira todo trabalho numa transformação só, e o gás não volta ao estado inicial: termina com volume maior e pressão menor. Para fechar um ciclo, seria preciso comprimi-lo de volta, e aí parte da energia teria de ser rejeitada. Além disso, o gás troca calor com uma fonte externa, ou seja, não é um sistema isolado. Não há violação.
Passo 3 — testando as alternativas. A alternativa A descreve tudo isso: temperatura constante, variação da energia (interna) nula pela primeira lei, calor todo convertido em trabalho, e nenhuma violação da segunda lei. A justificativa que ela dá (“o sistema não está isolado”) é a que a banca escolheu; a razão mais precisa é que o processo não é cíclico, mas é a única alternativa sem erro de física.
Por que não as outras: B afirma que a segunda lei é violada e chama de isolado um sistema que absorve calor, o que é contraditório (sistema isolado não troca calor). C fala em expansão adiabática, em que não há calor absorvido e a temperatura cai, e ainda conclui que a segunda lei é violada. D troca as leis: quem dá a partir da conservação da energia é a primeira lei, e a primeira lei nunca é “violada” por isso.
⚠️ A armadilha: achar que “converter todo o calor em trabalho” é sempre proibido pela segunda lei e marcar B. A proibição é para máquinas cíclicas; numa única expansão isotérmica, isso acontece de verdade.
A ideia em uma frase: na isotérmica de um gás ideal, Q = W pela primeira lei; a segunda lei só proíbe isso num ciclo, não numa transformação isolada.
Resposta: alternativa A (expansão isotérmica, Q = W, sem violar a segunda lei).
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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