UNIFESP 2023 — questão 12 de Física

Enunciado em texto
Um gás monoatômico ideal está confinado em um recipiente e sofre a transformação cíclica ABCA indicada no diagrama P × V, em que BC é uma transformação isotérmica.
(Gráfico: eixo vertical P, em ; eixo horizontal V, em . Estado A: V = 3 e P = 2. Estado B: V = 3 e P = (valor não dado, acima de 2). Estado C: V = 9 e P = 2. O ciclo é percorrido no sentido A → B (segmento vertical, para cima), B → C (curva da isoterma, descendo) e C → A (segmento horizontal, para a esquerda).)
Sabendo que a temperatura do gás no estado A é 300 K e adotando, para a constante universal dos gases ideais, o valor 8 J/(mol · K), calcule:
a) o trabalho, em joules, realizado pelas forças que o gás exerce sobre as paredes do recipiente na transformação AB e na transformação CA.
b) o número de mols de gás existente dentro do recipiente e a pressão, em , exercida pelo gás no estado B.
(Enunciado e figura: Vestibular Unifesp 2023, 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: o trabalho do gás em dois trechos do ciclo; depois, quantos mols há no recipiente e a pressão no estado B.
Item (a) — trecho AB: o volume não muda (o segmento é vertical, V = 3 × 10⁻³ m³ o tempo todo). Sem variação de volume, o gás não empurra parede nenhuma para lugar nenhum: o trabalho é nulo.
Item (a) — trecho CA: a pressão é constante (transformação isobárica), então o trabalho é pressão vezes variação de volume. O volume vai de 9 para 3 (× 10⁻³ m³): o gás é comprimido.
O sinal negativo diz que, na compressão, o trabalho das forças do gás é resistente: quem realiza trabalho sobre o gás é o meio externo.
Item (b) — número de mols: aplique a equação de Clapeyron ao estado A, onde temos P, V e T:
Item (b) — pressão em B: B e C estão na mesma isoterma, então têm a mesma temperatura e, com o mesmo n, o mesmo produto PV (lei de Boyle):
Conferindo: em C, K, o triplo de . Em B, com o mesmo volume de A, a pressão também tem de ser o triplo da de A: 3 × 2 × 10⁵ = 6 × 10⁵ N/m². Bate.
⚠️ A armadilha: esquecer as potências de 10 dos eixos. Usando P = 2 e V = 3 direto, o número de mols sairia 6/2 400 = 0,0025 mol, cem vezes menor. E no trecho CA, fazer dá +1 200 J: o sinal errado esconde que o gás foi comprimido.
A ideia em uma frase: volume constante não dá trabalho; pressão constante dá trabalho P·ΔV; e numa isoterma o produto PV não muda.
Resposta: (a) e J; (b) n = 0,25 mol e .
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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