Questão 110 do ENEM PPL 2020

Question

Tanto a conservação de materiais biológicos como o resfriamento de certos fotodetectores exigem baixas temperaturas que não são facilmente atingidas por refrigeradores. Uma prática comum para atingi-las é o uso de nitrogênio líquido, obtido pela expansão adiabática do gás \ce{N2}, contido em um recipiente acoplado a um êmbolo, que resulta no resfriamento em temperaturas que chegam até seu ponto de liquefação em -196\ ^\circ\text{C}. A figura exibe o esboço de curvas de pressão em função do volume ocupado por uma quantidade de gás para os processos isotérmico e adiabático. As diferenças entre esses processos podem ser identificadas com base na primeira lei da termodinâmica, que associa a variação de energia interna à diferença entre o calor trocado com o meio exterior e o trabalho realizado no processo.

Gráfico da pressão em função do volume para os processos isotérmico e adiabático, partindo de um mesmo estado inicial. A curva isotérmica situa-se acima da curva adiabática, que é mais inclinada.

A expansão adiabática viabiliza o resfriamento do \ce{N2} porque

A
a entrada de calor que ocorre na expansão por causa do trabalho contribui para a diminuição da temperatura.
B
a saída de calor que ocorre na expansão por causa do trabalho contribui para a diminuição da temperatura.
C
a variação da energia interna é nula e o trabalho é associado diretamente ao fluxo de calor, que diminui a temperatura do sistema.
D
a variação da energia interna é nula e o trabalho é associado diretamente à entrada de frio, que diminui a temperatura do sistema.
E
o trabalho é associado diretamente à variação de energia interna e não há troca de calor entre o gás e o ambiente.

Answer 1

PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS

Questão 110 do ENEM PPL 2020

2º dia · Ciências da Natureza · H2 · Física: Primeira lei da termodinâmica

Tanto a conservação de materiais biológicos como o resfriamento de certos fotodetectores exigem baixas temperaturas que não são facilmente atingidas por refrigeradores. Uma prática comum para atingi-las é o uso de nitrogênio líquido, obtido pela expansão adiabática do gás \ce{N2}, contido em um recipiente acoplado a um êmbolo, que resulta no resfriamento em temperaturas que chegam até seu ponto de liquefação em -196\ ^\circ\text{C}. A figura exibe o esboço de curvas de pressão em função do volume ocupado por uma quantidade de gás para os processos isotérmico e adiabático. As diferenças entre esses processos podem ser identificadas com base na primeira lei da termodinâmica, que associa a variação de energia interna à diferença entre o calor trocado com o meio exterior e o trabalho realizado no processo.

Gráfico da pressão em função do volume para os processos isotérmico e adiabático, partindo de um mesmo estado inicial. A curva isotérmica situa-se acima da curva adiabática, que é mais inclinada.

A expansão adiabática viabiliza o resfriamento do \ce{N2} porque

A
a entrada de calor que ocorre na expansão por causa do trabalho contribui para a diminuição da temperatura.
B
a saída de calor que ocorre na expansão por causa do trabalho contribui para a diminuição da temperatura.
C
a variação da energia interna é nula e o trabalho é associado diretamente ao fluxo de calor, que diminui a temperatura do sistema.
D
a variação da energia interna é nula e o trabalho é associado diretamente à entrada de frio, que diminui a temperatura do sistema.
E
o trabalho é associado diretamente à variação de energia interna e não há troca de calor entre o gás e o ambiente.

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Resolução comentada

A primeira lei da termodinâmica diz que \Delta U = Q - W, em que \Delta U é a variação da energia interna, Q é o calor trocado com o meio e W é o trabalho realizado pelo gás.

Numa transformação adiabática não há troca de calor com o ambiente, então Q = 0. Substituindo:

\Delta U = -W

Na expansão, o gás empurra o êmbolo e realiza trabalho, então W > 0. Logo \Delta U < 0: a energia interna diminui, e ela é o que o gás "gasta" para realizar o trabalho.

Para um gás, a energia interna depende da temperatura. Se \Delta U < 0, a temperatura cai. É por isso que a expansão adiabática resfria o \ce{N2} até a liquefação.

O gráfico confirma isso: partindo do mesmo estado inicial e chegando ao mesmo volume final, a curva adiabática termina numa pressão menor que a isotérmica. Como PV \propto T, a pressão menor com o mesmo volume indica temperatura menor.

Na isoterma, a temperatura fica constante porque o gás recebe calor do ambiente (Q = W). Na adiabática isso não acontece.

Portanto, o trabalho está diretamente ligado à variação da energia interna e não há troca de calor com o ambiente.

Alternativa E.

Por que as outras alternativas estão erradas

ANa adiabática não há entrada de calor; o resfriamento vem do trabalho feito à custa da energia interna.
BNão há saída de calor no processo adiabático, pois Q=0.
CA energia interna varia (diminui); só é nula na isoterma, e não há fluxo de calor na adiabática.
DTambém afirma \Delta U=0 e inventa uma "entrada de frio", conceito inexistente em termodinâmica.

Assunto: Primeira lei da termodinâmica.

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