Questões de máquinas térmicas com respostas comentadas

Estas questões de máquinas térmicas com respostas ajudam a compreender como calor, trabalho e rendimento aparecem em exercícios de Física. Para resolvê-las, é preciso identificar a fonte quente, a fonte fria e a parcela de energia que a máquina transforma em trabalho, sempre respeitando a primeira e a segunda leis da Termodinâmica.

Conceitos essenciais para resolver exercícios

Uma máquina térmica é um dispositivo que opera em ciclos e transforma parte da energia térmica recebida em trabalho mecânico. Um motor a combustão, uma turbina a vapor e uma usina termelétrica são exemplos. Em todos os casos, a máquina recebe calor de uma fonte de maior temperatura, realiza trabalho e rejeita outra parte do calor para uma fonte de menor temperatura.

Nos exercícios, costuma-se usar Q_q para o calor recebido da fonte quente, Q_f para o calor rejeitado à fonte fria e W para o trabalho produzido em cada ciclo. Pela conservação da energia, vale a relação: W = Q_q − Q_f. As três grandezas podem ser expressas em joules, desde que seja usada a mesma unidade em todos os cálculos.

O rendimento térmico, indicado pela letra grega eta, mostra qual fração do calor recebido foi convertida em trabalho. Sua expressão é eta = W/Q_q. Também pode ser escrita como eta = 1 − Q_f/Q_q. Para apresentá-lo em porcentagem, multiplica-se o resultado decimal por 100.

Passo a passo para interpretar os dados

Antes de substituir valores em uma fórmula, leia o enunciado procurando saber qual grandeza é fornecida e qual é pedida. Nem todo problema solicita o rendimento: ele pode pedir o trabalho, o calor rejeitado ou a comparação entre duas máquinas.

1. Identifique o sistema: motor térmico, máquina ideal de Carnot ou refrigerador.
2. Organize os dados e mantenha todas as energias na mesma unidade.
3. Use W = Q_q − Q_f quando forem conhecidos os dois calores.
4. Calcule o rendimento por eta = W/Q_q e transforme em porcentagem, se necessário.
5. Verifique se o resultado é coerente: para uma máquina térmica, o rendimento deve ser maior que zero e menor que 100%.

Em questões sobre a máquina de Carnot, o rendimento máximo teórico depende apenas das temperaturas absolutas das fontes: eta_Carnot = 1 − T_f/T_q. Atenção: as temperaturas devem estar em kelvin. Para converter graus Celsius em kelvin, soma-se aproximadamente 273 ao valor em Celsius.

Questões objetivas com respostas comentadas

Questão 1: trabalho e rendimento

Uma máquina térmica recebe 2 000 J de calor de uma fonte quente e rejeita 1 200 J para uma fonte fria em cada ciclo. O trabalho realizado e o rendimento da máquina são, respectivamente:

• A) 800 J e 40%.
• B) 800 J e 60%.
• C) 1 200 J e 40%.
• D) 1 200 J e 60%.

Resposta: A. O trabalho é a diferença entre o calor recebido e o rejeitado: W = 2 000 − 1 200 = 800 J. Logo, o rendimento é 800/2 000 = 0,40, isto é, 40%. Os 60% restantes correspondem à parcela de calor cedida à fonte fria.

Questão 2: rendimento de Carnot

Uma máquina ideal de Carnot trabalha entre uma fonte quente a 500 K e uma fonte fria a 300 K. Qual é seu rendimento máximo?

• A) 20%.
• B) 40%.
• C) 60%.
• D) 80%.

Resposta: B. Aplicando eta_Carnot = 1 − 300/500, obtém-se eta = 1 − 0,6 = 0,4. Portanto, o rendimento máximo é 40%. Uma máquina real que operasse entre essas mesmas temperaturas teria rendimento menor que esse limite ideal.

Questão 3: segunda lei da Termodinâmica

Assinale a alternativa correta sobre uma máquina térmica que funciona em ciclos.

• A) Ela pode transformar integralmente o calor recebido em trabalho.
• B) Ela retira calor de uma única fonte e o converte totalmente em energia mecânica.
• C) Ela recebe calor de uma fonte quente, realiza trabalho e rejeita parte do calor a uma fonte fria.
• D) Seu rendimento é sempre superior a 100% quando o trabalho é elevado.

Resposta: C. Essa alternativa descreve o funcionamento geral de uma máquina térmica. As opções A e B contradizem a segunda lei da Termodinâmica, enquanto a opção D é impossível, pois um rendimento superior a 100% significaria produzir mais energia útil do que a energia recebida.

Questão 4: máquinas térmicas e refrigeradores

Qual afirmação diferencia corretamente uma máquina térmica de um refrigerador?

• A) O refrigerador transfere calor da região fria para a quente com consumo de trabalho.
• B) A máquina térmica transfere calor espontaneamente da fonte fria para a quente.
• C) O refrigerador tem rendimento de 100% em qualquer situação.
• D) A máquina térmica não troca calor com o ambiente.

Resposta: A. O refrigerador usa energia elétrica para retirar calor de seu interior, mais frio, e lançá-lo no ambiente, geralmente mais quente. Já a máquina térmica aproveita uma diferença de temperatura para produzir trabalho.

Questões discursivas resolvidas

Questão 5: destino da energia em um motor

Um motor recebe energia química do combustível, que é convertida em energia térmica durante a combustão. Explique por que apenas parte dessa energia pode movimentar o veículo.

Resposta comentada: o motor funciona como uma máquina térmica: recebe energia associada ao calor produzido pela combustão, transforma parte dela em trabalho nos pistões e rejeita outra parte para o ambiente. Essa rejeição ocorre pelos gases de escape, pelo sistema de arrefecimento e por outros processos de transferência de calor. Além disso, há perdas por atrito e ruído. Portanto, nem toda a energia do combustível se torna movimento do veículo.

Questão 6: comparação de limites de rendimento

Duas máquinas ideais operam segundo o ciclo de Carnot. A máquina A trabalha entre 600 K e 300 K. A máquina B trabalha entre 800 K e 500 K. Qual apresenta maior rendimento máximo?

Resposta comentada: para A, eta = 1 − 300/600 = 0,50, ou 50%. Para B, eta = 1 − 500/800 = 0,375, ou 37,5%. Assim, a máquina A apresenta maior rendimento máximo, embora a fonte quente de B tenha temperatura maior. O que importa é a razão entre as temperaturas da fonte fria e da fonte quente, e não apenas o valor da temperatura quente isoladamente.

Erros frequentes em máquinas térmicas

Um erro comum é usar a fórmula do rendimento dividindo o trabalho pelo calor rejeitado. O denominador correto é o calor recebido da fonte quente, pois o rendimento compara a energia útil produzida com a energia fornecida ao sistema.

Também é frequente esquecer a conversão de Celsius para kelvin em questões de Carnot. A razão entre temperaturas na fórmula só é válida na escala absoluta. Por exemplo, não se deve calcular diretamente 1 − 27/127 se os valores foram apresentados em graus Celsius.

Outro problema é confundir calor com temperatura. Calor é energia transferida por diferença de temperatura e pode ser medido em joules. Temperatura indica o estado térmico de um corpo e, nas fórmulas do ciclo de Carnot, deve ser expressa em kelvin. Por fim, rendimento alto não significa ausência de perdas: significa apenas que uma fração maior da energia recebida foi aproveitada como trabalho.

Pontos de revisão

Para resolver exercícios de máquinas térmicas, memorize que o trabalho produzido corresponde ao calor recebido menos o calor rejeitado: W = Q_q − Q_f. Em seguida, calcule o rendimento por eta = W/Q_q. Se o problema informar as temperaturas de uma máquina de Carnot, use eta_Carnot = 1 − T_f/T_q, sempre com temperaturas em kelvin.

Revise ainda o princípio físico envolvido: máquinas térmicas precisam de duas fontes térmicas e não convertem integralmente calor em trabalho. Ao interpretar cada enunciado, diferencie energia recebida, energia rejeitada e trabalho útil. Essa organização evita trocas de grandezas e torna os cálculos mais claros.