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PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS

Questão 13 (Física) do ITA 2011

Física · Física: Máquinas térmicas e segunda lei da termodinâmica

Texto-base das questões 01 a 20 · Física

Aceleração da gravidade = 10\ \text{m/s}^2

Densidade da água = 1{,}0\ \text{g/cm}^3

Velocidade de som no ar = 340\ \text{m/s}

Comprimento de onda médio da luz = 570\ \text{nm}

A inversão temporal de qual dos processos abaixo NÃO violaria a segunda lei de termodinâmica?

  1. A
    A queda de um objeto de uma altura H e subsequente parada no chão
  2. B
    O movimento de um satélite ao redor da Terra
  3. C
    A freiada brusca de um carro em alta velocidade
  4. D
    O esfriamento de um objeto quente num banho de água fria
  5. E
    A troca de matéria entre as duas estrelas de um sistema binário
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Resolução comentada

A segunda lei da termodinâmica diz que processos espontâneos aumentam a entropia total (ou a mantêm, se forem reversíveis). Um processo cuja inversão no tempo NÃO viola a lei é, portanto, um processo reversível, sem dissipação de energia.

Vamos testar cada caso:

  1. Queda e parada no chão: a energia mecânica vira calor e som no impacto. Invertido, o chão esfriaria sozinho e lançaria o objeto para cima. Isso viola a lei.
  2. Freada brusca: a energia cinética vira calor nos freios e nos pneus. Invertido, o calor se converteria todo em movimento. Viola.
  3. Objeto quente na água fria: o calor flui do quente para o frio. Invertido, fluiria do frio para o quente de forma espontânea. Viola (enunciado de Clausius).
  4. Troca de matéria entre estrelas: envolve fluxo de gás, atrito e aquecimento, então é irreversível. Invertida, violaria a lei.
  5. Satélite orbitando a Terra: no vácuo, só a gravidade atua, que é uma força conservativa. Não há atrito nem geração de calor, e a energia mecânica se conserva. Se o filme do movimento for rodado de trás para frente, o satélite apenas percorre a órbita no sentido oposto, obedecendo as mesmas leis físicas. A entropia não muda, e a segunda lei não é violada.

O único processo reversível é o do satélite.

Alternativa B.

Por que as outras alternativas estão erradas

  • ANo impacto a energia mecânica vira calor e som; invertido, o chão se resfriaria sozinho, o que viola a segunda lei.
  • CA freada converte energia cinética em calor por atrito; a inversão converteria calor integralmente em movimento.
  • DA inversão faria o calor passar espontaneamente do corpo frio para o quente, contrariando Clausius.
  • EA transferência de matéria entre estrelas envolve atrito e aquecimento do gás, sendo irreversível.

Assunto: Máquinas térmicas e segunda lei da termodinâmica.

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Fonte: ITA 2011 · Física. Prova oficial ↗