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PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS

Questão 17 (Física) do ITA 2018

Física · Física: Máquinas térmicas e segunda lei da termodinâmica

Texto-base das questões 01 a 20 · Física

G = 7 \times 10^{-11}\text{ m}^3/\text{kg.s}^2. Aceleração da gravidade g = 10\text{ m/s}^2. Velocidade do som no ar = 340\text{ m/s}. Raio da Terra R = 6\ 400\text{ km}. Constante dos gases R = 8{,}3\text{ J/mol.K}. Índice adiabático do ar \gamma = C_P/C_V = 1{,}4.. Massa molecular do ar M_{ar} = 0{,}029\text{ kg/mol}. Permeabilidade magnética do vácuo \mu_0 = 4\pi \times 10^{-7}\text{ N/A}^2. Pressão atmosférica 1{,}0\text{ atm} = 100\text{ kPa}. Massa específica da água = 1{,}0\text{ g/cm}^3

No livro Teoria do Calor (1871), Maxwell, escreveu referindo-se a um recipiente cheio de ar:

“... iniciando com uma temperatura uniforme, vamos supor que um recipiente é dividido em duas partes por uma divisória na qual existe um pequeno orifício, e que um ser que pode ver as moléculas individualmente abre e fecha esse orifício de tal modo que permite somente a passagem de moléculas rápidas de A para B e somente as lentas de B para A. Assim, sem realização de trabalho, ele aumentará a temperatura de B e diminuirá a temperatura de A em contradição com ... ”.

Assinale a opção que melhor completa o texto de Maxwell.

  1. A
    a primeira lei da termodinâmica.
  2. B
    a segunda lei da termodinâmica.
  3. C
    a lei zero da termodinâmica.
  4. D
    o teorema da energia cinética.
  5. E
    o conceito de temperatura.
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Resolução comentada

Esse é o famoso "demônio de Maxwell". Vale revisar o que cada lei da termodinâmica afirma.

  1. Lei zero: corpos em equilíbrio térmico com um terceiro estão em equilíbrio entre si. Ela define a igualdade de temperatura, e nada no texto a contradiz.
  2. Primeira lei: \Delta U = Q - W, ou seja, conservação de energia. No processo descrito, a energia total do gás não muda: o que B ganha em energia cinética molecular, A perde. A primeira lei é respeitada.
  3. Segunda lei: o calor não flui espontaneamente de um corpo frio para um quente, e a entropia de um sistema isolado não diminui. No texto, o recipiente começa com temperatura uniforme. Sem trabalho, B esquenta e A esfria, o que é uma transferência de calor do frio para o quente, sem compensação. Isso diminui a entropia do sistema e contradiz a segunda lei.

O "ser" que separa as moléculas é o demônio de Maxwell. Ele parece violar a segunda lei, mas, na análise completa, o custo de medir e registrar as informações das moléculas aumenta a entropia total.

O teorema da energia cinética relaciona trabalho e variação de energia cinética, e o conceito de temperatura (energia cinética média) não é contrariado: ele é usado para descrever o resultado.

Alternativa B.

Por que as outras alternativas estão erradas

  • AA energia total é conservada, pois o que B ganha A perde; a primeira lei não é violada.
  • CA lei zero trata de equilíbrio térmico transitivo, e nada no processo a contradiz.
  • DO teorema da energia cinética relaciona trabalho e variação de energia cinética e não é o princípio posto em xeque.
  • EO conceito de temperatura (energia cinética média) é justamente o que descreve o resultado, não é contradito.

Assunto: Máquinas térmicas e segunda lei da termodinâmica.

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Fonte: ITA 2018 · Física. Prova oficial ↗