Questão de Engenharia Mecânica — Termodinâmica — FGV 2022

Estados e propriedades termodinâmicas

Gabarito: letra E — corretos os itens I, II e III. A questão cobra três conceitos fundamentais da termodinâmica clássica: a regra das fases (que define quantas propriedades independentes são necessárias para fixar o estado), a definição de entalpia e o significado do ponto crítico. Todas as afirmativas estão corretas e se sustentam nos princípios básicos da disciplina.

A termodinâmica estuda os estados de equilíbrio de sistemas, caracterizados por propriedades como temperatura, pressão, volume específico, energia interna e entalpia. Para uma substância pura simples compressível, o estado termodinâmico fica determinado por duas propriedades independentes — é a chamada regra das fases (ou postulado de estado). Isso significa que, conhecidas duas propriedades independentes, todas as demais podem ser obtidas por meio de equações de estado ou tabelas de propriedades.

A entalpia é uma propriedade termodinâmica definida justamente como a soma da energia interna com o produto da pressão pelo volume. Ela é extremamente útil em processos a pressão constante, como os que ocorrem em trocadores de calor e turbinas, pois a variação de entalpia corresponde ao calor trocado nessas condições.

O ponto crítico é o estado no qual as propriedades das fases líquida e vapor se tornam idênticas, desaparecendo a distinção entre elas. Acima da temperatura crítica, não é possível liquefazer o gás por compressão isotérmica — os limites de fase deixam de existir. Esse conceito é essencial para entender diagramas de fase e processos de liquefação.

A banca explora aqui a compreensão conceitual desses três pilares, sem exigir cálculos. A pegadinha estaria em considerar que a entalpia fosse definida de outra forma (como apenas energia interna, ou com subtração do termo $Pv$) ou que o ponto crítico fosse um estado comum de coexistência de fases — mas todas as afirmativas estão corretas.

Item I — ✅ Correto

A afirmativa está correta. Para uma substância pura simples compressível, duas propriedades independentes (como temperatura e volume específico) são suficientes para determinar o estado termodinâmico. A pressão, então, pode ser obtida por uma equação de estado (ex.: equação dos gases ideais, $Pv = RT$) ou por tabelas de propriedades. Isso decorre da regra das fases de Gibbs: $F = C - P + 2$, que para uma substância pura ($C=1$) em uma única fase ($P=1$) resulta em $F=2$ graus de liberdade.

Item II — ✅ Correto

A afirmativa está correta. A entalpia é definida como $H = U + Pv$ (por unidade de massa: $h = u + Pv$), onde $U$ é a energia interna, $P$ a pressão e $v$ o volume específico. Essa definição é universal na termodinâmica e aparece em qualquer livro-texto da disciplina. A entalpia é particularmente útil em processos a pressão constante, pois a variação de entalpia é igual ao calor trocado.

Item III — ✅ Correto

A afirmativa está correta. No ponto crítico, as propriedades das fases líquida e vapor se tornam idênticas: a densidade do líquido saturado é igual à do vapor saturado, e a interface entre as fases desaparece. Acima da temperatura crítica, não há mais distinção entre líquido e vapor — a substância existe como um fluido supercrítico. Portanto, os limites de fase (a curva de saturação) desaparecem exatamente no ponto crítico.

Gabarito: letra E — corretos os itens I, II e III.