UNIFESP 2017 — questão 13 de Física

Enunciado em texto
Uma massa constante de gás ideal pode ser levada de um estado inicial A a um estado final B por dois processos diferentes, indicados no diagrama P × V.
(Gráfico: P ( N/m²) no eixo vertical, de 0 a 6, e V ( m³) no eixo horizontal, de 0 a 6, sobre um quadriculado. Os pontos são A (2; 2), C (2; 3), D (4; 4), E (4; 5), B (6; 5) e F (6; 2). Processo azul ACDEB: de A sobe na vertical até C; de C vai em linha reta inclinada até D; de D sobe na vertical até E; de E segue na horizontal até B. Processo vermelho AFB: de A segue na horizontal até F; de F sobe na vertical até B. As setas indicam o sentido de A para B nos dois processos.)
Para ocorrer, a transformação ACDEB exige uma quantidade de calor e a transformação AFB exige uma quantidade de calor. Sendo e as temperaturas absolutas do gás nos estados A e B, respectivamente, calcule:
a) o valor da razão .
b) o valor da diferença , em joules.
(Enunciado e figura: Vestibular Unifesp 2017, Conhecimentos Específicos — Unifesp/Vunesp.)
Transcrição do enunciado original da prova, reproduzido para fins de estudo. Todos os direitos do enunciado pertencem à Universidade Federal de São Paulo (Unifesp) e à Fundação VUNESP.
Resolução comentada
O que a questão pede: (a) quantas vezes a temperatura em B é maior que em A; (b) quanto calor a mais o caminho azul exige em relação ao vermelho.
Item (a) — lei geral dos gases. A massa de gás é constante, então PV/T é a mesma em A e em B. Lendo o gráfico: A tem P = 2 e V = 2; B tem P = 5 e V = 6 (nas unidades dos eixos, que se cancelam na razão):
Item (b) — passo 1: a energia interna não depende do caminho. Pela primeira lei, . A variação de energia interna de um gás ideal depende só da temperatura inicial e da final; como os dois processos começam em A e terminam em B, é o mesmo. Subtraindo:
Item (b) — passo 2: o trabalho é a área sob a curva. Nos trechos verticais (volume constante) o gás não realiza trabalho. Cada quadradinho de 1 × 1 nas unidades do gráfico vale J.
Caminho ACDEB: em CD a área é um trapézio (pressão de 3 a 4, volume de 2 a 4); em EB é um retângulo (pressão 5, volume de 4 a 6):
Caminho AFB: só AF realiza trabalho (pressão 2, volume de 2 a 6):
Item (b) — passo 3: a diferença.
Conferindo: o caminho azul passa por pressões mais altas enquanto o volume cresce, então tem mais área embaixo e exige mais calor: , diferença positiva. A diferença é exatamente a área entre as duas curvas: 9 quadradinhos de 100 J.
⚠️ A armadilha: esquecer as potências de 10 dos eixos e responder 9 J. O fator multiplica toda área lida no gráfico.
A ideia em uma frase: entre os mesmos estados inicial e final, ΔU é igual, e a diferença de calor entre dois caminhos é a diferença de trabalho, ou seja, a diferença de área no diagrama P × V.
Resposta: (a) ; (b) J.
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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