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Questão 130 do ENEM 2024

2º dia · Ciências da Natureza · H8 · Física: Máquinas térmicas e segunda lei da termodinâmica

O diagrama P-V a seguir representa o ciclo de Otto para um motor de combustão interna, como os motores a gasolina ou a etanol, utilizados nos automóveis.

Diagrama P-V do ciclo de Otto mostrando os pontos de 0 a 4 com a área interna sombreada em amarelo indicada pela letra W

As etapas representadas no diagrama estão descritas no quadro.

Etapa Processo Descrição
I 0 a 1 Admissão isobárica da mistura ar-combustível no cilindro do motor.
II 1 a 2 Compressão adiabática da mistura.
III 2 a 3 Introdução de energia na forma de calor da combustão.
IV 3 a 4 Expansão adiabática.
V 4 a 1 Liberação de energia na forma de calor.
VI 1 a 0 Liberação dos gases resultantes da combustão.

Disponível em: www.mspc.eng.br. Acesso em: 24 fev. 2013 (adaptado).

A transformação da energia térmica em energia útil ocorre na etapa

  1. A
    II.
  2. B
    III.
  3. C
    IV.
  4. D
    V.
  5. E
    VI.
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Resolução comentada

Para transformar energia térmica em energia útil (trabalho mecânico), o gás precisa realizar trabalho, isto é, se expandir empurrando o pistão. No diagrama P-V, isso acontece quando o volume aumenta, com o gás em pressão alta.

Analisando as etapas:

  1. Etapa II (1 a 2): o volume diminui. O pistão comprime o gás, ou seja, o trabalho é realizado sobre o gás, que consome energia.
  2. Etapa III (2 a 3): o volume é constante (a reta é vertical). Sem variação de volume, o trabalho é nulo. Há só entrada de calor, e a pressão sobe.
  3. Etapa IV (3 a 4): o volume aumenta, com o gás em pressão alta. O gás se expande sem trocar calor (adiabática) e realiza trabalho, usando a própria energia interna. A temperatura cai, e a energia térmica vira trabalho útil. É o tempo motor.
  4. Etapa V (4 a 1): o volume é constante, então o trabalho é nulo. O gás apenas libera calor.
  5. Etapa VI (1 a 0): o gás é expulso, o que é uma troca de gases e não gera trabalho útil.

A área W no interior do ciclo é o trabalho líquido: trabalho da expansão (3 a 4) menos o gasto na compressão (1 a 2). A conversão de calor em trabalho ocorre na expansão.

Alternativa C.

Pegadinha: A alternativa B engana porque a combustão é onde a energia térmica aparece, mas ali o volume é constante e não há trabalho; a conversão só ocorre na expansão (IV).

Por que as outras alternativas estão erradas

  • Ana compressão adiabática o trabalho é feito sobre o gás, consumindo energia em vez de produzi-la.
  • Bé onde entra o calor da combustão, mas o volume é constante e não há trabalho; é o fornecimento de energia, não sua conversão.
  • Dé a liberação de calor a volume constante, sem trabalho e sem conversão em energia útil.
  • Eé apenas a exaustão dos gases, sem conversão de calor em trabalho útil.

Assuntos: Máquinas térmicas e segunda lei da termodinâmica, Primeira lei da termodinâmica.

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