O ponto de partida. Um sistema troca energia com a vizinhança de duas maneiras, e só duas (no sentido deste item): calor (Q) e trabalho (W). A diferença entre elas é a causa:
- calor é a energia transferida por haver uma diferença de temperatura entre o sistema e a vizinhança;
- trabalho é a energia transferida por ação de forças que atuam no sistema enquanto os seus pontos de aplicação se deslocam.
E a relação entre essas transferências e a energia interna U do sistema é a 1.ª Lei da Termodinâmica, que tens no formulário:
ΔU=W+QO item é um exercício de aplicação direta desta lei. Toma como sistema os dois blocos de gelo.
1.º — a primeira lacuna: calor ou trabalho?
O enunciado diz uma coisa com todo o cuidado: a temperatura da vizinhança é igual à dos blocos de gelo. Sem diferença de temperatura não há transferência de energia como calor entre os blocos e a vizinhança: Q=0. Davy montou a experiência assim exatamente para excluir o calor como explicação.
Então de onde vem a energia? Da fricção: quem fricciona os blocos exerce forças sobre eles, e essas forças deslocam as superfícies uma contra a outra. Energia transferida por ação de forças é trabalho: W>0 (é energia que entra no sistema).
Primeira lacuna: trabalho. Isto elimina (A) e (B).
2.º — a segunda lacuna: a energia interna
Aplica a 1.ª Lei com o que acabaste de concluir:
ΔU=W+Q=W+0=W>0A energia interna dos blocos aumentou.
Mas o enunciado diz que ainda não houve perda de massa — como pode a energia interna ter aumentado? Essa frase serve para te dizer que ainda não há água líquida a escorrer dos blocos: o sistema continua a ser o mesmo, com a mesma massa, e a 1.ª Lei aplica-se sem complicações. Não quer dizer que nada mudou por dentro. A energia recebida como trabalho fica nos blocos — no gelo junto às superfícies em fricção, que começa a romper as ligações entre as moléculas de água (é assim que começa a fusão). A temperatura do gelo fundente não precisa de subir para a energia interna aumentar: numa mudança de estado a energia interna aumenta a temperatura constante.
Segunda lacuna: aumentou.
Resposta: opção (D).
a origem de cada opção errada
- (A) calor ... manteve-se constante — erra as duas lacunas. É a leitura de quem associa «o gelo fundiu» a «recebeu calor» e, ao mesmo tempo, «a temperatura não mudou» a «a energia interna não mudou». As duas associações são falsas: sem diferença de temperatura não há calor, e a energia interna pode aumentar a temperatura constante.
- (B) calor ... aumentou — a segunda parte está certa, a primeira não. É o erro mais natural: «fundir» evoca «aquecer», e aquecer evoca «calor». Mas a vizinhança está à mesma temperatura dos blocos — o enunciado diz isso precisamente para fechar esta porta. A demonstração de Davy é histórica por isto mesmo: mostrou que se pode fundir gelo sem calor, só com trabalho.
- (C) trabalho ... manteve-se constante — acerta no mecanismo e erra a consequência. Quem a escolhe pensa que, como a temperatura do gelo fundente se mantém e ainda não há perda de massa, «nada mudou». Mas pela 1.ª Lei, com Q=0 e W>0, tem de ser ΔU>0. A energia que entrou não desaparece.
onde se perdem pontos
Item de escolha múltipla: é tudo ou nada. Os 10 pontos vêm inteiros ou não vêm. É também um item facultativo: conta para a nota se estiver entre os quatro melhores dos oito itens em alternativa.
- Ler «fundem» e escrever «calor». O enunciado dá-te a informação decisiva — a temperatura da vizinhança é igual à dos blocos — e ela exclui o calor. Lê as condições da experiência antes de reagires à palavra «fusão».
- Igualar energia interna a temperatura. A temperatura mede a energia cinética média das partículas; a energia interna inclui também a energia associada às interações entre elas. Numa fusão, U aumenta sem que a temperatura mude.
- Interpretar «ainda não ocorreu perda de massa» como «ainda não aconteceu nada». A frase fixa o sistema (a massa dos blocos é a mesma), não diz que a energia não mudou.
- Escrever na folha mais do que uma letra. Só é classificada a que surgir em primeiro lugar.
a regra a fixar
Calor exige diferença de temperatura; trabalho exige forças a atuar ao longo de um deslocamento. Quando o enunciado disser que o sistema e a vizinhança estão à mesma temperatura, o calor está fora de jogo — procura as forças. E fecha sempre com ΔU=W+Q: se entra energia e nada sai, a energia interna aumenta, com ou sem variação de temperatura.