Termodinâmica — ENEM

Física — Ensino Médio

Termodinâmica

20 Questões Múltipla Escolha Modelo ENEM
Leia atentamente cada questão antes de analisar as alternativas. Para cada questão, há apenas uma alternativa correta entre as cinco apresentadas (a, b, c, d, e). As questões 04, 08, 12, 16 e 20 contêm gráficos — analise-os com atenção antes de responder.
01

Alpinistas que sobem ao cume do Monte Everest (altitude de aproximadamente 8.850 m) observam que a água entra em ebulição a cerca de 70 °C, valor muito inferior aos 100 °C verificados ao nível do mar. Isso ocorre porque, com o aumento da altitude, a pressão atmosférica diminui, reduzindo o ponto de ebulição. Convertendo ambas as temperaturas para a escala Kelvin e calculando a diferença entre os dois pontos de ebulição, obtém-se:

  • a30 K
  • b303 K
  • c343 K
  • d373 K
  • e273 K
02

Uma dona de casa nota que sua panela de alumínio aquece muito mais rapidamente que a de barro, mesmo submetidas ao mesmo fogo. Essa diferença está relacionada ao calor específico dos materiais.

Calor específico do alumínio: c = 0,22 kcal/(kg·°C)  |  Massa: m = 1 kg

Temperatura inicial: 25 °C  |  Temperatura final: 100 °C

A quantidade de calor necessária para elevar a temperatura da panela de alumínio de 25 °C a 100 °C é:

  • a10,0 kcal
  • b12,5 kcal
  • c15,0 kcal
  • d16,5 kcal
  • e22,0 kcal
03

Um motor a combustão interna recebe 5.000 J de calor proveniente da queima de combustível e realiza 1.500 J de trabalho mecânico, cedendo o restante da energia à fonte fria. Com base na Primeira e na Segunda Leis da Termodinâmica, a eficiência térmica desse motor e o calor cedido à fonte fria são, respectivamente:

  • a30% e 3.500 J
  • b30% e 5.000 J
  • c70% e 3.500 J
  • d70% e 1.500 J
  • e50% e 2.500 J
04

O diagrama pressão–volume (P–V) é uma ferramenta fundamental na análise de ciclos termodinâmicos. O gráfico abaixo representa um ciclo ABCD realizado por um gás ideal. Nas etapas AB e CD o gás sofre processos isobáricos; nas etapas BC e DA, processos isocóricos.

A B C D W 4 2 P (×10⁵ Pa) 1 3 V (L)
Figura 1 — Ciclo termodinâmico ABCD. Eixo P em ×10⁵ Pa; eixo V em litros (10⁻³ m³).

Com base nos dados do gráfico, o trabalho líquido realizado pelo gás em um ciclo completo é:

  • a100 J
  • b200 J
  • c400 J
  • d800 J
  • e4.000 J
05

As linhas férreas são construídas com pequenas lacunas entre os trilhos para prevenir acidentes causados pela dilatação térmica. Um trilho de aço de 10 m de comprimento é instalado a 20 °C. Sabendo que αaço = 12 × 10⁻⁶ °C⁻¹, quando a temperatura atingir 50 °C, o comprimento do trilho será:

ΔL = L₀ · α · ΔT
  • a10,0036 m
  • b10,0360 m
  • c10,3600 m
  • d10,0003 m
  • e10,0720 m
06

Em um experimento de calorimetria, 200 g de água a 80 °C são misturados com 100 g de água a 20 °C em um calorímetro ideal. O calor específico da água é 1 cal/(g·°C). A temperatura de equilíbrio da mistura é:

  • a50 °C
  • b55 °C
  • c60 °C
  • d65 °C
  • e70 °C
07

A eficiência de uma máquina de Carnot é determinada pelas temperaturas absolutas das fontes. Uma máquina ideal de Carnot opera entre uma fonte quente a 500 K e uma fonte fria a 300 K. A eficiência máxima teórica dessa máquina é:

η = 1 − Tfria / Tquente
  • a20%
  • b30%
  • c40%
  • d50%
  • e60%
08

O gráfico abaixo mostra a variação de temperatura de uma amostra de água em função do calor fornecido, a partir do estado sólido (gelo) até o estado gasoso (vapor), à pressão constante.

Gelo Fusão Água Vaporização Vapor 0° 100° T (°C) Q →
Figura 2 — Temperatura em função do calor fornecido para a água (pressão constante).

Os segmentos horizontais (platôs) observados no gráfico representam:

  • aProcessos em que a substância não absorve calor do ambiente.
  • bMudanças de estado, nas quais o calor absorvido é usado para romper ligações intermoleculares sem alterar a temperatura.
  • cProcessos adiabáticos em que não há troca de calor.
  • dRegiões em que a temperatura cai temporariamente antes de voltar a subir.
  • eEquilíbrio térmico entre a substância e o ambiente externo.
09

Um cubo de gelo de 50 g a 0 °C é adicionado a 200 g de água a 30 °C em um recipiente termicamente isolado. Considere Lfusão = 80 cal/g e cágua = 1 cal/(g·°C). Sobre o processo, é correto afirmar que:

  • aO gelo não se funde completamente; temperatura final 0 °C
  • bO gelo se funde completamente; temperatura final 8 °C
  • cO gelo se funde completamente; temperatura final 16 °C
  • dO gelo não se funde completamente; temperatura final 5 °C
  • eO gelo se funde completamente; temperatura final 20 °C
10

Em um processo isotérmico com gás ideal, a temperatura permanece constante e o produto pressão × volume é invariável. Um gás ocupa inicialmente 2 L a 3 atm e se expande isotermicamente até 6 L. A nova pressão será:

P₁ · V₁ = P₂ · V₂
  • a0,5 atm
  • b1 atm
  • c2 atm
  • d3 atm
  • e9 atm
11

A Primeira Lei da Termodinâmica expressa a conservação de energia. Um gás ideal recebe 800 J de calor e realiza 300 J de trabalho sobre o meio externo. A variação de energia interna do gás é:

ΔU = Q − W
  • a100 J
  • b300 J
  • c500 J
  • d800 J
  • e1.100 J
12

A Lei do Resfriamento de Newton estabelece que a taxa de perda de calor de um corpo é proporcional à diferença de temperatura entre ele e o ambiente. O gráfico abaixo mostra a temperatura de um corpo metálico em função do tempo, após ser retirado de uma fonte de calor e exposto ao ar.

Tamb 90° 65° 40° 20° 5 10 15 20 25 T (°C) t (min)
Figura 3 — Temperatura de um corpo metálico em função do tempo de resfriamento ao ar.

A linha tracejada horizontal no gráfico representa:

  • aA temperatura de fusão do material do corpo.
  • bA temperatura mínima possível, correspondente ao zero absoluto.
  • cA temperatura ambiente, limite assintótico do equilíbrio térmico entre o corpo e o ar.
  • dA temperatura em que o corpo para de irradiar calor para o ambiente.
  • eA temperatura média entre o estado inicial (90 °C) e o estado final esperado.
13

A brisa marítima é um fenômeno climático observado em regiões costeiras: durante o dia, o vento sopra do mar em direção à terra. Esse fenômeno é explicado pela convecção térmica. A razão pela qual isso ocorre é que:

  • aA água do mar, sendo mais quente durante o dia, aquece o ar acima dela, fazendo-o subir e puxar ar frio da terra.
  • bA terra aquece mais rapidamente (menor calor específico), o ar quente sobre ela sobe, e o ar mais frio e denso do mar ocupa seu lugar.
  • cO mar reflete mais radiação solar do que a terra, tornando-se mais frio e gerando corrente de ar em direção à terra.
  • dO vento é gerado exclusivamente pelo efeito Coriolis da rotação terrestre.
  • eA terra possui maior calor específico, acumulando mais energia e forçando o ar a se deslocar para o mar.
14

A radiação térmica propaga-se no vácuo. Pela Lei de Stefan-Boltzmann, a potência irradiada por um corpo é proporcional à quarta potência de sua temperatura absoluta (P ∝ T⁴). Se a temperatura superficial de uma estrela é o dobro da do Sol, a intensidade de radiação emitida pela estrela, em relação ao Sol, é:

  • a2 vezes maior
  • b4 vezes maior
  • c8 vezes maior
  • d16 vezes maior
  • e32 vezes maior
15

Um engenheiro propõe uma máquina que absorva calor do oceano a 25 °C e converta 100% dessa energia em trabalho mecânico, sem ceder calor a nenhuma fonte fria. Com base nos princípios da termodinâmica, essa máquina:

  • aPoderia funcionar, pois utiliza fonte de energia renovável e abundante.
  • bViolaria a Primeira Lei, pois criaria energia a partir do nada.
  • cViolaria a Segunda Lei, pois nenhuma máquina cíclica pode converter integralmente calor em trabalho.
  • dPoderia funcionar, desde que a temperatura do oceano fosse suficientemente alta.
  • eViolaria a Lei Zero, pois os corpos oceânicos estão em equilíbrio térmico entre si.
16

O gráfico abaixo mostra a eficiência máxima (ciclo de Carnot) de uma máquina térmica em função da temperatura da fonte fria, mantendo a temperatura da fonte quente fixa em Tquente = 800 K. O ponto P indica uma condição específica de operação.

P 100% 75% 50% 25% 0% 200 400 600 800 η (%) Tfria (K)
Figura 4 — Eficiência de Carnot em função de Tfria, com Tquente = 800 K fixo.

De acordo com o gráfico, a eficiência da máquina no ponto P (Tfria = 200 K) é:

  • a25%
  • b40%
  • c50%
  • d75%
  • e100%
17

Um refrigerador opera como máquina térmica inversa: consome trabalho elétrico para retirar calor do interior frio e cedê-lo ao ambiente externo mais quente. Um modelo retira 1.200 J do compartimento interno e consome 400 J de energia elétrica por ciclo. O calor cedido ao ambiente externo é:

Qquente = Qfrio + W
  • a800 J
  • b1.200 J
  • c1.400 J
  • d1.600 J
  • e2.000 J
18

A entropia mede o grau de desordem de um sistema. Em processos espontâneos, a entropia total do universo sempre aumenta. Identifique aquele em que há redução de entropia no sistema em questão:

  • aUm gás que se expande livremente no vácuo.
  • bSal de cozinha se dissolvendo em água.
  • cVapor d'água se condensando em gotas de líquido.
  • dUm bloco de gelo derretendo à temperatura ambiente.
  • eCombustão de gasolina em um motor.
19

Uma usina termelétrica a carvão possui eficiência de 35% e produz 350 MW de potência elétrica. Para manter essa produção, a taxa de energia térmica fornecida pela queima do carvão deve ser:

η = W / QH
  • a122,5 MW
  • b350 MW
  • c700 MW
  • d1.000 MW
  • e1.350 MW
20

O trabalho realizado por um gás em uma transformação é representado pela área sob a curva no diagrama P–V. O gráfico abaixo mostra dois processos distintos que levam um gás do estado A ao estado B: o Processo 1 é isotérmico (curva hiperbólica P·V = constante) e o Processo 2 é uma transformação linear direta.

A B 1 2 4 3 2 1 1 2 3 4 P (×10⁵ Pa) V (L)
Figura 5 — Processos 1 (isotérmico) e 2 (linear) conectando os mesmos estados A e B.

Comparando os dois processos no diagrama, é correto afirmar que:

  • aO trabalho realizado é igual nos dois processos, pois os estados inicial e final são os mesmos.
  • bO Processo 1 (isotérmico) realiza mais trabalho, pois a pressão varia continuamente e de forma mais intensa.
  • cA variação de energia interna ΔU é diferente nos dois processos, pois os caminhos percorridos são distintos.
  • dO Processo 2 (linear) realiza mais trabalho, pois a área sob a reta é maior do que a área sob a curva isotérmica.
  • eNenhum processo realiza trabalho, pois para isso a pressão deveria ser constante em toda a transformação.