Desafie-se com Questões de Termodinâmica e arrase em Química

Se existe algo que você que, vai fazer o Enem ou prestar vestibular precisa conhecer, são os exercícios de termodinâmica. Esse é um assunto muito comum e cai com muita frequência em seleções pra ingresso nos mais diversos cursos do ensino superior.

Dessa maneira, pra ajudar você a reforçar seus estudos, reunimos informações importantes. Elas vão ajudar a entender melhor sobre o assunto, o que vai contribuir pra que você possa resolver com mais facilidade seus exercícios de termodinâmica.

Fique com a gente até o final e se prepare com quem entende de aprovação!

O que é termodinâmica?

A termodinâmica pode ser entendida como a área da Física, responsável por estudar como ocorrem as trocas de energia que acontecem na matéria. 

Nesse contexto, ela busca compreender como ocorrem as relações entre trabalho, calor e energia dos diferentes corpos.

Tudo isso por meio da análise entre as quantidades de calor que são trocadas ao se realizar um dado trabalho.

Trata-se de uma ciência que passou a tomar corpo, à princípio, no momento em que a Revolução Industrial acontecia. Isso porque, um dos objetivos dela era tornar mais eficiente esse período da nossa história.

Nele, o processo de produção estava passando por profundas revoluções. O que aconteceu foi que todos os estudos relacionados à termodinâmica passaram a ser melhor percebidos em várias situações do nosso dia a dia.

Exemplo disso é o emprego das suas regras a refrigeradores, motores de automóveis, etc. Sabendo disso, responder exercícios de termodinâmica e conhecer suas leis ajudará você a ter uma melhor compreensão.

Quais são as leis da termodinâmica?

Nesse sentido, os estudos realizados na área identificaram que a troca de calor entre os corpos, ao realizar trabalhos, seguiam determinadas leis. Sobre elas vamos conversar nas próximas linhas.

Lei Zero da termodinâmica

Essa lei veio pra indicar as condições em que o equilíbrio deve ser estabelecido na termodinâmica.

Nela, temos que dois pontos, X e Z, estão, de forma separada, mantendo relação de equilíbrio com um dado terceiro corpo, que chamaremos de Y. Dessa maneira, podemos inferir que X e Z estarão em equilíbrio entre eles.

Ou seja, quando dois corpos que têm temperaturas distintas acabam entrando em contato. Ocorre que o que possui maior temperatura, digamos que “cede” pro de menor temperatura e isso acontece até que ambos fiquem com a mesma unidade de calor.

Então, na Lei Zero da termodinâmica, nesse fenômeno teremos o equilíbrio térmico. Além disso, ela também nos traz que o tipo de material e, consequentemente, a condutibilidade dele influenciará a maneira como essa troca é realizada.

Primeira Lei da termodinâmica

Nessa primeira lei temos uma relação próxima com o Princípio da Conservação de Energia. Isso porque, ao se estudar um determinado sistema, verificou-se que a energia nele não poderia ser criada, tampouco destruída, mas sim, transformada.

Nesse sentido, chegou-se à seguinte fórmula:

Q= τ + ΔU

Ela representa a Primeira Lei da termodinâmica, na qual:

• ΔU – corresponde à variação de energia que ocorre internamente, demonstrada em “cal” ou “J”;
• Q – referente ao calor, também deve ester em “cal” ou “J”;
•  τ – trabalho realizado, deve estar, de igual modo, em “cal” ou “J”.

Observe que a medida utilizada nessa fórmula deve ser, por padrão, o Joule.

Um exemplo da aplicação da Primeira Lei da termodinâmica acontece quando, por exemplo, uma máquina é acionada por meio de aquecimento de gases, em usinas que são muito comuns.

Nesse cenário, os gases liberam calor, o que permite que a máquina possa realizar o trabalho. Vale lembrar que a Lei de Hess é uma exceção a essa regra.

Lei de Hess

Tratando-se sobre a Lei de Hess, que refere a uma reação química, o calor que costuma ser liberado é constante. Ou seja, a chamada “variação de entalpia” depende exclusivamente da situação inicial e final da reação química.

Ela foi desenvolvida por Germain Henry Hess, que era médico e também químico suíço. De acordo com a Lei de Hess, o cálculo da variação de entalpia deve ser feito utilizando-se a seguinte fórmula:

H = Hf – Hi

Nela, temos que:

• H: corresponde a variação de entalpia;
• Hf: consiste na entalpia final;
• Hi: refere-se a entalpia inicial.

Segunda Lei da termodinâmica

A Segunda Lei da termodinâmica veio pra mostrar que o calor tende a fluir do corpo que tem maior temperatura pro mais frio. Esse processo acontece espontaneamente, diferentemente da situação oposta.

Outro ponto importante que a gente conclui dessa situação é que não se pode reverter a troca de energia térmica entre os corpos.

Ainda, a Segunda Lei da termodinâmica afirma que um sistema, ao converter o calor em trabalho, deve fazer ciclos entre fontes de calor que sejam quentes e frias, sucessivamente. 

Dessa forma, é necessário que exista um processo cíclico pra que a transformação aconteça.

Terceira Lei da termodinâmica

A Terceira Lei da termodinâmica traz a afirmação de que, no momento em que um determinado sistema possui valor da sua temperatura em zero absoluto, todos os processos são cessados, então o valor da entropia passa a ser mínimo.

Questão do Enem sobre termodinâmica

Na maioria das vezes, não basta apenas conhecer as fórmulas. Na verdade, é necessário também, que você saiba interpretar a questão pra entender, de fato, o que ela está solicitando.

Nesse sentido, pra ajudar você a entender melhor o assunto, abaixo trouxemos uma atividade que exemplifica a forma como o tema pode ser cobrado:

Unicamp 2003

Os alimentos, além de nos fornecerem as substâncias constituintes do organismo, são também fontes de energia necessária pra nossas atividades. 

Podemos comparar o balanço energético de um indivíduo após um dia de atividades, da mesma forma que comparamos os estados final e inicial de qualquer processo químico.

O gasto total de energia (em kJ) por um indivíduo pode ser considerado como a soma de três usos corporais de energia:

• gasto metabólico de repouso (4,2kJ/kg por hora);
• gasto energético pra digestão e absorção dos alimentos, correspondente a 10% da energia dos alimentos ingeridos;
• atividade física, que, pra uma atividade moderada representa 40% do gasto metabólico de repouso.

1. a) Qual seria o gasto energético total de um indivíduo com massa corporal de 60kg, com atividade moderada e que ingere o equivalente a 7600kJ por dia?
2. b) Considerando-se que 450g de massa corporal correspondem a aproximadamente 15000kJ, qual é o ganho (ou perda) deste indivíduo por dia, em gramas?

Respostas:

1. a) O gasto total que se gastou em energia = 6048 + 760 + 2419,2 = 9227,2kJ;
2. b) x = 48,8g corresponde a massa corpórea que foi perdida.

Enem 2021

Na montagem de uma cozinha para um restaurante, a escolha do material correto para as panelas é importante, pois a panela que conduz mais calor é capaz de cozinhar os alimentos mais rapidamente e, com isso, há economia de gás. 

A taxa de condução do calor depende da condutividade k do material, de sua área A, da diferença de temperatura ΔT e da espessura d do material, sendo dada pela relação .

Em panelas com dois materiais, a taxa de condução é dada por em que d1 e d2 são as espessuras dos dois materiais, e k1 e k2 são as condutividades de cada material. Os materiais mais comuns no mercado para panelas são o alumínio (k = 20 W/m K), o ferro (k = 8 W/m K) e o aço (k = 5 W/m K) combinado com o cobre (k = 40 W/m K).

Compara-se uma panela de ferro, uma de alumínio e uma composta de 1/2 da espessura em cobre e 1/2 da espessura em aço, todas com a mesma espessura total e com a mesma área de fundo.

A ordem crescente da mais econômica para a menos econômica é

1. a) cobre-aço, alumínio e ferro. 
2. b) alumínio, cobre-aço e ferro. 
3. c) cobre-aço, ferro e alumínio. 
4. d) alumínio, ferro e cobre-aço. 
5. e) ferro, alumínio e cobre-aço

Resposta: B.

Enem 2021

Na cidade de São Paulo, as ilhas de calor são responsáveis pela alteração da direção do fluxo da brisa marítima que deveria atingir a região de mananciais. Mas, ao cruzar a ilha de calor, a brisa marítima agora encontra um fluxo de ar vertical, que transfere para ela energia térmica absorvida das superfícies quentes da cidade, deslocando-a para altas altitudes. 

Dessa maneira, há condensação e chuvas fortes no centro da cidade, em vez de na região de mananciais. A imagem apresenta os três subsistemas que trocam energia nesse fenômeno. 

No processo de fortes chuvas no centro da cidade de São Paulo, há dois mecanismos dominantes de transferência de calor: entre o Sol e a ilha de calor, e entre a ilha de calor e a brisa marítima.

VIVEIROS, M. Ilhas de calor afastam chuvas de represas. Disponível em: www2.feis.unesp.br. Acesso em: 3 dez. 2019 (adaptado).

Esses mecanismos são, respectivamente, 

1. a) irradiação e convecção. 
2. b) irradiação e irradiação.
3. c) condução e irradiação. 
4. d) convecção e irradiação.
5. e) convecção e convecção.

Resposta: A.

Conclusão

Como visto, existem 4 leis que nos ajudam a entender como os processos de termodinâmica ocorrem. Elas costumam ser cobradas em testes de admissão em universidades das mais variadas formas.

Nesse sentido, é fundamental que você não apenas domine a teoria, mas faça exercícios de termodinâmica pra ter um melhor entendimento sobre como ela costuma ser aplicada na prática.

Nós, aqui do Descomplica, somos parceiros nessa jornada e torcemos por você. Contamos com método próprio, focado em facilitar o seu aprendizado e te ajudar a arrasar em suas provas. Conheça nosso curso preparatório para o Enem.