PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS
Questão 3 do ITA 2023
Texto-base das questões 01 a 12 · 1ª fase
Quando necessário, use os seguintes valores para as constantes:
Aceleração local da gravidade g = 10\ \text{m/s}^2. Velocidade da luz no vácuo c = 3{,}0 \times 10^8\ \text{m/s}.
Aproximações numéricas: \log 2 \approx 0{,}30, \log 3 \approx 0{,}48 e \ln 10 \approx 2{,}3.
Considere um recipiente, sobre uma plataforma, sujeito à pressão atmosférica P_{atm}. Esse recipiente contém um volume inicial V_i de um gás monoatômico ideal em equilíbrio e tem um êmbolo de seção transversal de área A e de massa m. Para monitorar a aceleração do sistema, a plataforma foi suspensa por um dinamômetro, como ilustrado na figura. Por causa de uma ação de uma força externa vertical, o êmbolo atinge uma nova posição de equilíbrio. Nessa posição a leitura do dinamômetro indica que a aceleração do sistema é de 1/10 de g para cima.

Determine o módulo do deslocamento \Delta x do êmbolo, com relação ao fundo do recipiente, considerando que a transformação do gás é isentrópica.
- A\Delta x = \dfrac{3V_i}{2A}\left(\dfrac{11mg}{50P_{atm}A+55mg}\right).
- B\Delta x = \dfrac{V_i}{A}\left[1-\left(\dfrac{AP_{atm}+mg}{AP_{atm}+1{,}1mg}\right)^{\frac{5}{3}}\right].
- C\Delta x = \dfrac{3V_i}{A}\left(\dfrac{11mg}{50P_{atm}A+55mg}\right).
- D\Delta x = \dfrac{V_i}{A}\left(\dfrac{0{,}1mg}{AP_{atm}+1{,}1mg}\right).
- E\Delta x = \dfrac{V_i}{A}\left[1-\left(\dfrac{AP_{atm}+mg}{AP_{atm}+1{,}1mg}\right)^{\frac{3}{5}}\right].
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Resolução comentada
O sistema todo acelera para cima com a = g/10, então o êmbolo também. Vale a segunda lei de Newton para ele.
Inicialmente (equilíbrio, sem aceleração): P_i A = P_{atm}A + mg, logo P_i = \dfrac{P_{atm}A + mg}{A}.
Na nova posição, as forças sobre o êmbolo são: pressão do gás para cima (P_f A), pressão atmosférica e peso para baixo:
A pressão aumentou, então o gás foi comprimido.
Transformação isentrópica (adiabática reversível) de gás monoatômico: \gamma = 5/3 e P V^{\gamma} = \text{constante}.
O deslocamento do êmbolo é a variação de volume dividida pela área:
O expoente é 1/\gamma = 3/5, e não \gamma.
Alternativa E.
Pegadinha: A alternativa B engana por trazer a mesma estrutura da E, mas com o expoente 5/3 (γ) em vez de 3/5 (1/γ).
Por que as outras alternativas estão erradas
- ALinearização aproximada com fator 3/2 sem justificativa; não corresponde à lei isentrópica exata.
- BUsa o expoente 5/3 em vez de 3/5, invertendo a relação entre V e P.
- CAproximação linear com fator 3 sem base; não vem de PV^{\gamma} constante.
- DTrata a transformação como isotérmica linearizada, ignorando \gamma e a lei adiabática.
Assuntos: transformação adiabática, segunda lei de Newton, gás ideal.
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Fonte: ITA 2023 · 1ª fase. Prova oficial ↗