Atividades de Leis da Termodinâmica e Máquinas Térmicas para a 2ª série do Ensino Médio com gabarito

Quando trabalho Leis da Termodinâmica e Máquinas Térmicas com a 2ª série, procuro fazer os conceitos conversarem com situações concretas: um gás que recebe calor, um êmbolo que se move e uma máquina que transforma parte da energia recebida em trabalho. É um conteúdo em que as palavras calor, temperatura e energia aparecem juntas, mas não significam a mesma coisa. Por isso, gosto de retomar o que cada grandeza representa antes de pedir que a turma aplique fórmulas.

Também observo que os cálculos ficam mais compreensíveis quando os estudantes primeiro organizam o balanço de energia e identificam o que entra, o que sai e o que se transforma. As questões abaixo permitem verificar tanto essa leitura conceitual quanto habilidades de cálculo, como o rendimento de Carnot e a potência elétrica. Reuni as oito questões com alternativas e comentários para que você possa usá-las como diagnóstico, atividade de consolidação ou parte de uma prova.

O que o aluno de 2ª série precisa saber sobre Leis da Termodinâmica e Máquinas Térmicas

Na 2ª série, espero que o aluno compreenda que calor é energia transferida por diferença de temperatura, enquanto temperatura se relaciona ao estado térmico do sistema. A Primeira Lei da Termodinâmica expressa a conservação da energia: a energia recebida como calor pode alterar a energia interna do gás e também estar associada ao trabalho realizado, conforme a convenção adotada. Em um gás comprimido, o trabalho feito sobre o sistema pode elevar sua energia interna e, em condições apropriadas, sua temperatura; calor também pode influenciar esse estado. Para máquinas térmicas, é importante reconhecer que elas recebem energia térmica de uma fonte quente, convertem parte em trabalho e rejeitam o restante para uma fonte fria. O rendimento compara o trabalho útil com o calor absorvido. No limite ideal de Carnot, calculamos a eficiência por 1 − Tc/Th, usando temperaturas absolutas em kelvin. A turma também precisa interpretar unidades, conservar energia e distinguir transformação de energia de desaparecimento de energia.

O que ele precisa saber antes

Antes desta sequência, vale verificar se a turma domina os pré-requisitos presentes nas questões: conservação de energia, conceito de energia interna e relação entre trabalho e energia. Para os exercícios numéricos, são necessários cálculos com subtração, razões e porcentagens, além da compreensão de que a temperatura na fórmula de Carnot deve estar em kelvin. A leitura de unidades, como joule, volt, ampere e watt, também ajuda a evitar que o estudante trate números sem considerar o significado físico.

Eu costumo fazer uma retomada breve com um esquema de entradas e saídas de energia. Em seguida, recupero a ideia de transformação entre formas de energia e a relação P = V × I para potência elétrica, que aparece em uma das questões. Essa revisão pode ser feita no quadro e com exemplos simples, sem exigir equipamentos específicos.

Onde os alunos mais erram

Um erro recorrente indicado pelas questões é supor que toda a energia recebida por um gás se converte em trabalho. Esse raciocínio deixa de considerar a variação da energia interna, que também pode ocorrer. Ao analisar o gás no cilindro, é importante separar calor recebido, trabalho e mudança no estado do sistema, em vez de tratar uma dessas parcelas como destino único da energia.

Nos cálculos de Carnot, o distrator mais provável é usar a razão entre as temperaturas como se ela já fosse o rendimento, ou inverter a ordem da operação. A expressão pede primeiro Tc/Th e depois a subtração desse resultado de 1. Outro cuidado é copiar corretamente os valores fornecidos e usar a escala absoluta em kelvin.

Em máquinas térmicas, pode haver confusão entre calor absorvido, trabalho produzido e calor rejeitado. A questão de balanço energético mostra por que não basta escolher um dos valores informados: é preciso relacioná-los pela conservação de energia. Também aparece a tendência de somar uma perda em vez de subtraí-la ao calcular a energia útil. Para o gás comprimido, um distrator associa o trabalho a uma diminuição da energia interna, embora o enunciado descreva aumento de temperatura. Por fim, questões sobre geradores e potência elétrica permitem observar se o aluno distingue transformação, perdas e cálculo de potência, sem misturar essas ideias com a eficiência de uma máquina térmica.

Como trabalhar em sala

• Monte um diagrama de energia: desenhe no quadro um sistema, setas de entrada e saída e nomeie calor, trabalho e variação da energia interna. Peça que a turma explique cada seta antes de substituir valores.
• Compare compressão e aquecimento: apresente as situações do gás comprimido e do gás aquecido com êmbolo móvel. Em duplas, os alunos identificam o que o enunciado informa e quais efeitos podem ocorrer, sem presumir que calor e trabalho sejam a mesma coisa.
• Faça cálculo comentado de Carnot: anote a fórmula, os valores de Th e Tc e cada etapa da operação. Peça que os estudantes justifiquem por que a razão é subtraída de 1 e confiram se o resultado é uma fração ou porcentagem coerente.
• Use cartões de entrada e saída: distribua no quadro valores de calor absorvido, trabalho e energia rejeitada. A turma deve organizar a relação antes de resolver. A estratégia ajuda a detectar confusões entre somar e subtrair.
• Feche com uma checagem de unidades: misture itens conceituais com cálculos curtos de joules e potência elétrica. Em cada resposta, solicite uma frase de justificativa; assim, consigo avaliar o raciocínio além da alternativa marcada.

Questões prontas de Leis da Termodinâmica e Máquinas Térmicas para a 2ª série do Ensino Médio (com gabarito comentado)

As questões a seguir podem ser aplicadas em sequência ou selecionadas conforme o objetivo da aula. Mantive os enunciados e as alternativas, acrescentando comentários para explicitar o raciocínio esperado em cada opção.

1. Um gás recebe energia e realiza trabalho

Um gás contido em um cilindro com êmbolo móvel recebe energia por aquecimento e, ao mesmo tempo, empurra o êmbolo, realizando trabalho sobre o meio externo. Nessa situação, é correto afirmar que

• ❌ A) toda a energia recebida pelo gás transforma-se apenas em trabalho. Errada: parte da energia pode aumentar a energia interna do gás.
• ❌ B) a energia interna do gás necessariamente diminui durante o aquecimento. Errada: receber calor pode aumentar a energia interna.
• ✅ C) o aquecimento pode aumentar a energia interna do gás e também permitir que ele realize trabalho. Correta: essa possibilidade expressa qualitativamente a Primeira Lei da Termodinâmica.
• ❌ D) o trabalho realizado pelo gás impede qualquer variação de temperatura. Errada: o gás pode variar de temperatura mesmo enquanto realiza trabalho.
• ❌ E) se há trabalho, então não houve transferência de energia por calor. Errada: o enunciado afirma que o gás recebeu energia por aquecimento; calor e trabalho podem participar do balanço simultaneamente.

Gabarito comentado: C. A energia recebida não precisa ter um único destino: pode haver trabalho e variação da energia interna. Vale pedir que a turma explique por que a alternativa A ignora uma parcela importante do balanço.

2. Eficiência máxima de uma máquina de Carnot

Determine a eficiência térmica máxima (η_Carnot) de uma máquina de Carnot que opera entre uma fonte quente a Th = 800 K e uma fonte fria a Tc = 300 K. Use a fórmula η_Carnot = 1 − Tc/Th.

• ❌ A) η_Carnot = 1 − 300/400 = 0,250 = 25%. Errada: utiliza 400 K, valor que não corresponde à temperatura da fonte quente informada.
• ❌ B) η_Carnot = 300/800 = 0,375 = 37,5%. Errada: essa é a razão Tc/Th; ainda é necessário subtraí-la de 1.
• ❌ C) η_Carnot = 1 − 400/800 = 0,500 = 50%. Errada: substitui a temperatura fria por 400 K, embora o dado seja 300 K.
• ✅ D) η_Carnot = 1 − Tc/Th = 1 − 300/800 = 0,625 = 62,5%. Correta: 300/800 = 0,375 e 1 − 0,375 = 0,625. O rendimento é adimensional.
• ❌ E) η_Carnot = 1 − 300/500 = 0,400 = 40%. Errada: usa 500 K no denominador, e a fonte quente está a 800 K.

Gabarito comentado: D. A sequência mais segura é identificar as duas temperaturas, calcular Tc/Th e então subtrair o resultado de 1. Como os dados já estão em kelvin, não é preciso converter a escala.

3. Calor rejeitado por uma máquina térmica

Uma máquina térmica absorve 2,5×10⁵ J e transforma 1,0×10⁵ J em trabalho. Quantos joules são rejeitados à fonte fria?

• ❌ A) 2,5×10⁵ J. Errada: repete o calor absorvido, sem calcular o que resta após a produção de trabalho.
• ❌ B) 1,0×10⁵ J. Errada: toma o trabalho produzido como se fosse o calor rejeitado.
• ✅ C) 1,5×10⁵ J. Correta: pela conservação de energia, Q_fria = Q_quente − W = 2,5×10⁵ − 1,0×10⁵ = 1,5×10⁵ J.
• ❌ D) 3,5×10⁵ J. Errada: soma calor absorvido e trabalho, mas o trabalho é parte da energia transferida para fora como resultado útil.
• ❌ E) 1,5×10⁶ J. Errada: a diferença dos coeficientes está correta, mas o expoente foi alterado, produzindo ordem de grandeza incorreta.

Gabarito comentado: C. Recomendo que a turma escreva primeiro o balanço, antes de operar com notação científica. Isso ajuda a separar o significado físico do cálculo.

4. Trabalho e temperatura em um gás comprimido

Durante um experimento, um aluno observa que a temperatura de um gás aumenta ao ser comprimido. Explique a relação entre trabalho, calor e energia interna em termos de um sistema de gás comprimido.

• ❌ A) O calor diminui. Errada: a alternativa não descreve o efeito observado e trata calor como algo que necessariamente diminui na compressão.
• ❌ B) O trabalho diminui a energia interna. Errada: no contexto apresentado, o trabalho realizado sobre o gás pode aumentar sua energia interna.
• ❌ C) A temperatura não muda. Errada: contradiz diretamente a informação de que a temperatura aumenta.
• ✅ D) O trabalho aumenta a temperatura. Correta: a compressão envolve trabalho sobre o gás, que pode elevar sua energia interna e, consequentemente, sua temperatura.
• ❌ E) O calor não influencia na temperatura. Errada: transferência de calor pode influenciar a energia interna e a temperatura; não se deve desconsiderar essa possibilidade.

Gabarito comentado: D. O item destaca o efeito do trabalho sobre o gás comprimido. Ao conversar sobre a resposta, ressalte que calor e trabalho são modos de transferência de energia e que o efeito observado depende do processo descrito.

5. Conversão de energia mecânica em elétrica

Calcule a energia gerada por um gerador que transforma 500 J de energia mecânica em elétrica.

• ❌ A) 300 J. Errada: não corresponde ao valor fornecido para a transformação descrita.
• ✅ B) 500 J. Correta: no modelo ideal considerado pelo enunciado, a energia mecânica fornecida é convertida em energia elétrica.
• ❌ C) 700 J. Errada: apresenta uma energia elétrica maior que a energia mecânica de entrada, sem que o enunciado indique outra fonte de energia.
• ❌ D) 400 J. Errada: não é o resultado previsto pela conversão integral descrita no item.
• ❌ E) 600 J. Errada: também supera a energia de entrada e não é sustentada pelos dados.

Gabarito comentado: B. A resposta segue a hipótese simplificada da questão: conversão integral de 500 J. É uma boa oportunidade para diferenciar o modelo idealizado de sistemas reais, nos quais podem ocorrer perdas, sem alterar o que o item pede.

6. Energia elétrica gerada com perda

Um gerador converte 300 J de energia térmica em energia elétrica. Se 50 J são perdidos, qual a energia elétrica gerada?

• ✅ A) 250 J. Correta: 300 J − 50 J = 250 J de energia elétrica gerada.
• ❌ B) 300 J. Errada: não considera os 50 J informados como perdidos.
• ❌ C) 200 J. Errada: a subtração dos valores do enunciado não resulta em 200 J.
• ❌ D) 350 J. Errada: soma a perda à energia de entrada, em vez de descontá-la.
• ❌ E) 400 J. Errada: é maior do que a energia fornecida e não decorre do balanço indicado.

Gabarito comentado: A. Como há uma perda explicitamente informada, ela deve ser subtraída da energia disponível. Peça aos alunos que indiquem em palavras o significado dos 300 J e dos 50 J antes do cálculo.

7. Energia convertida em trabalho por uma máquina térmica

Identifique a forma de energia que é convertida em trabalho em uma máquina térmica.

• ❌ A) Energia química. Errada: embora possa estar relacionada à origem da energia em alguns processos, não é a forma identificada como entrada térmica da máquina nesta questão.
• ❌ B) Energia elétrica. Errada: o item trata de uma máquina térmica, não de um dispositivo cuja conversão principal parte de energia elétrica.
• ✅ C) Energia térmica. Correta: a máquina térmica recebe energia térmica e converte parte dela em trabalho.
• ❌ D) Energia potencial. Errada: não é a forma de energia indicada para a conversão característica abordada neste item.
• ❌ E) Energia cinética. Errada: confunde o movimento que pode resultar do trabalho com a energia térmica recebida pela máquina.

Gabarito comentado: C. A resposta identifica a forma de energia de entrada no modelo estudado. Vale lembrar que a máquina não converte todo o calor recebido em trabalho: parte é rejeitada à fonte fria.

8. Potência elétrica de uma pilha

Uma pilha fornece 9 V e 1 A. Qual é a potência elétrica fornecida pela pilha?

• ✅ A) 9 W. Correta: P = V × I = 9 V × 1 A = 9 W.
• ❌ B) 8 W. Errada: não resulta da multiplicação da tensão pela corrente informadas.
• ❌ C) 10 W. Errada: soma os valores numéricos, em vez de aplicar a relação de potência.
• ❌ D) 7 W. Errada: não corresponde ao produto de 9 V por 1 A.
• ❌ E) 11 W. Errada: é maior que o resultado obtido pela fórmula e não é sustentada pelos dados.

Gabarito comentado: A. Substituindo os valores na fórmula P = V × I, obtemos 9 W. A unidade watt é compatível com o produto entre volt e ampere.

Próximos passos

Use os itens conceituais para iniciar a discussão e reserve os cálculos para verificar como a turma organiza dados, operações e unidades. Você também pode explorar outras questões da habilidade EM13CNT107 e questões da habilidade EM13CNT102. Para adaptar a seleção ao seu planejamento, experimente o gerador de provas do GeraProva e faça seu cadastro grátis.

As questões e comentários são um ponto de partida: ajuste a sequência, os exemplos e o nível de apoio ao que sua turma precisa revisar. No GeraProva, você pode preparar atividades e provas com mais praticidade.