Questão de Física — 1ª Lei da Termodinâmica — FGV 2024

Transformação adiabática e a 1ª Lei da Termodinâmica

Gabarito: letra C. Na transformação adiabática não há troca de calor com a vizinhança ($Q = 0$), e a 1ª Lei da Termodinâmica ($\Delta U = Q - W$) reduz-se a $\Delta U = -W$: toda a variação de energia interna vem do trabalho realizado. A alternativa C afirma que a transformação "acontece sem variação da energia térmica, mesmo com a variação de temperatura" — e é exatamente isso que ocorre: a energia térmica (parcela da energia interna associada à agitação molecular) pode mudar sem que a energia interna total varie, pois outras parcelas (como a energia potencial química) se transformam em energia térmica ou vice-versa. As demais alternativas trocam os conceitos de transformação adiabática, isotérmica e isobárica.

A transformação adiabática é aquela em que o sistema não troca calor com a vizinhança, ou seja, $Q = 0$. Isso pode ocorrer por dois motivos: (1) as paredes do recipiente são isolantes térmicos, ou (2) o processo é tão rápido que não há tempo para troca significativa de calor (como na compressão rápida de uma bomba de ar). Aplicando a 1ª Lei da Termodinâmica, $\Delta U = Q - W$, com $Q = 0$, obtemos $\Delta U = -W$. Assim:

• Se o gás se expande ($W > 0$), $\Delta U < 0$: a energia interna diminui e a temperatura cai.

• Se o gás é comprimido ($W < 0$), $\Delta U > 0$: a energia interna aumenta e a temperatura sobe.

É importante distinguir a transformação adiabática das outras transformações clássicas:

A pegadinha da banca está em confundir adiabática com isotérmica. Na adiabática, não há troca de calor, mas a temperatura varia (diminui na expansão, aumenta na compressão). Na isotérmica, a temperatura é constante, mas há troca de calor. Além disso, a alternativa C explora um ponto sutil: a energia interna não é o mesmo que energia térmica. A energia interna é a soma de todas as energias microscópicas (térmica, potencial química, etc.). Em uma transformação adiabática, a energia interna total pode permanecer constante se a energia térmica se transformar em energia potencial (ou vice-versa), como ocorre na combustão rápida de gasolina em um cilindro — processo adiabático em que a temperatura aumenta muito, mas a energia interna não varia.

Alternativa A — ❌ Incorreta

Descreve a transformação isobárica (pressão constante), não a adiabática. Além disso, a área sob a curva no diagrama $pV$ representa o trabalho realizado, não a energia interna. Na adiabática, a pressão não é constante — a curva é mais íngreme que a isoterma.

Alternativa B — ❌ Incorreta

Confunde adiabática com isotérmica. Na adiabática, não há troca de calor, mas a temperatura varia (diminui na expansão, aumenta na compressão). A linha de temperatura constante é característica da transformação isotérmica, não da adiabática.

Alternativa C — ✅ Correta ⟵ GABARITO

A afirmativa está correta: na transformação adiabática, a energia térmica (parcela da energia interna associada à agitação molecular) pode variar sem que a energia interna total varie, pois outras parcelas (como a energia potencial química) se transformam em energia térmica ou vice-versa. Isso ocorre, por exemplo, na combustão rápida de gasolina em um cilindro — processo adiabático em que a temperatura aumenta muito, mas a energia interna não varia. A banca explora a distinção entre energia interna e energia térmica: a energia interna é a soma de todas as energias microscópicas, e a energia térmica é apenas uma parcela dela.

Alternativa D — ❌ Incorreta

Afirma que um gás não pode expandir sem trocar calor, o que é falso. A expansão adiabática é perfeitamente possível: o gás se expande, realiza trabalho e sua temperatura diminui, sem trocar calor com a vizinhança. O exemplo clássico é a expansão rápida de um gás comprimido, que se resfria.

Alternativa E — ❌ Incorreta

Afirma que a variação de energia interna é transformada inteiramente em calor, o que contraria a definição de adiabática ($Q = 0$). Na adiabática, a variação de energia interna é transformada inteiramente em trabalho ($\Delta U = -W$), não em calor.

Gabarito: letra C