Questão 53 — ENEM 2016 Reaplicação

Ficha da Questão

• 📚 Matérias Necessárias: Física → Termodinâmica (Segunda Lei, entropia e máquinas térmicas)
• ⚡ Nível: Difícil — exige distinguir a Primeira Lei (conservação de energia) da Segunda Lei (entropia), armadilha clássica que derruba a maioria dos candidatos
• 🎯 Tema/Habilidade: Limitação do rendimento de máquinas térmicas e o papel da entropia (Segunda Lei da Termodinâmica)
• 🏆 Gabarito: B — revelado após resolução completa

Passo 1 — Leitura Estratégica do Comando

• Comando reformulado: "Qual é a razão física, comprovada por Carnot, de nenhuma máquina térmica cíclica conseguir converter 100% do calor recebido em trabalho?"
• Palavras-chave decisivas: impossibilidade, 100% de rendimento, duas fontes térmicas
• Armadilha típica: confundir a limitação de rendimento com uma suposta violação da conservação de energia (alternativa D) — "rendimento menor que 100%" não significa "energia sumindo": toda a energia continua conservada, só não é toda convertida em trabalho útil.
• O que a resposta precisa demonstrar: que a limitação vem de uma lei distinta da conservação de energia — uma lei ligada à direção espontânea dos processos térmicos, não à sua quantidade total de energia.

Passo 2 — Mapa de Conceitos Essenciais

• Primeira Lei da Termodinâmica: é a lei da conservação de energia (ΔU = Q − W). Sozinha, não proíbe uma máquina 100% eficiente, pois toda a energia poderia, em tese, virar trabalho sem "desaparecer".
• Segunda Lei da Termodinâmica: afirma que é impossível converter integralmente calor em trabalho em um ciclo — sempre uma parte do calor deve ser rejeitada à fonte fria. É essa lei, e não a Primeira, que impõe o teto de rendimento.
• Entropia (S): mede o grau de desordem/dispersão de energia de um sistema. Em qualquer processo real, a entropia total (do universo) nunca diminui (ΔS ≥ 0). Uma máquina com 100% de rendimento exigiria ΔS < 0, o que é fisicamente proibido.
• Ciclo de Carnot: formado por duas isotérmicas e duas adiabáticas, é o ciclo de maior rendimento teoricamente possível entre duas fontes (η = 1 − T_fria/T_quente). Mesmo ele nunca atinge 100%, pois isso exigiria T_fria = 0 K, temperatura inatingível.

Passo 3 — Decodificação do Enunciado

• Evidência 1: "funcionando em ciclos entre duas fontes térmicas (uma quente e outra fria)" → mostra que a troca de calor com duas fontes é estrutural ao processo — não há como usar apenas a fonte quente.
• Evidência 2: "impossibilidade de... obter 100% de rendimento" → aponta para uma lei física além da conservação de energia: o Teorema de Carnot, consequência direta da Segunda Lei.
• Síntese: o enunciado descreve, em outras palavras, o Teorema de Carnot — nenhuma máquina térmica cíclica atinge 100% de rendimento porque isso exigiria converter todo o calor da fonte quente em trabalho sem rejeitar nada à fonte fria, o que corresponderia a uma diminuição de entropia do universo, proibida pela Segunda Lei.

Passo 4 — Resolução Completa (Passo a Passo)

Subpasso 4.1 — Por que "100% de rendimento" seria fisicamente inaceitável

O rendimento é η = W/Q_quente. Ter η = 100% significaria que todo o Q_quente vira trabalho, sem rejeitar calor Q_fria à fonte fria. Isso não violaria a conservação de energia (Q_quente = W continua balanceado), mas violaria outra lei — é aí que mora a pegadinha da questão.

Subpasso 4.2 — Conectando com a entropia

A variação de entropia numa troca de calor Q a temperatura T é ΔS = Q/T. Num ciclo com η = 100%, a entropia perdida pela fonte quente (ΔS = −Q_quente/T_quente) não seria compensada por nenhum ganho em outro lugar, pois nenhum calor seria rejeitado à fonte fria. Isso geraria ΔS_universo < 0, contrariando a Segunda Lei (ΔS_universo ≥ 0). Por isso a máquina é obrigada a rejeitar parte do calor à fonte fria — e essa rejeição obrigatória é o que limita o rendimento a menos de 100%.

Subpasso 4.3 — Verificação

No ciclo de Carnot, η_Carnot = 1 − (T_fria/T_quente), que só chegaria a 100% com T_fria = 0 K — inatingível. Isso confirma que a limitação está ligada à necessidade estrutural de gerar/transferir entropia, e não a qualquer falha na conservação de energia.

Passo 5 — Análise Crítica de Todas as Alternativas

A) realizam trabalho mecânico.

❌ Incorreta: realizar trabalho é a própria finalidade da máquina térmica, não a causa da limitação. Fazer trabalho não impede, por si só, um rendimento de 100% — a restrição vem de outro princípio físico.

B) produzem aumento da entropia.

✅ Correta: a impossibilidade de rendimento total decorre da Segunda Lei da Termodinâmica — a entropia do universo não pode diminuir em nenhum processo real. Para cumprir isso, a máquina é obrigada a rejeitar parte do calor à fonte fria, aumentando a entropia total, o que impede que 100% do calor absorvido vire trabalho útil.

C) utilizam transformações adiabáticas.

❌ Incorreta: as adiabáticas fazem parte do ciclo de Carnot, mas são idealmente reversíveis e não geram entropia por si só. Descrevem uma etapa do ciclo, não a causa da limitação do rendimento.

D) contrariam a lei da conservação de energia.

❌ Incorreta: esta é a armadilha central. Uma máquina 100% eficiente não violaria a Primeira Lei — toda a energia continuaria conservada, só integralmente convertida em trabalho. É por isso que, antes de Carnot, acreditava-se nela: nada na conservação de energia a proíbe. A proibição vem da Segunda Lei, ligada à entropia.

E) funcionam com temperatura igual à da fonte quente.

❌ Incorreta: não corresponde ao funcionamento real — a máquina opera necessariamente entre duas temperaturas distintas. Sem essa diferença, não haveria ciclo entre duas fontes térmicas, como o próprio enunciado descreve.

🏆 Gabarito: B — a impossibilidade de 100% de rendimento decorre da Segunda Lei da Termodinâmica: todo processo real produz aumento de entropia, o que obriga a rejeição de parte do calor à fonte fria e impede a conversão total de calor em trabalho.

Passo 6 — Conclusão, Generalização e Dica de Prova

• Reafirmação do gabarito: a letra B é a única que aponta a causa física correta — o aumento de entropia imposto pela Segunda Lei — enquanto as demais descrevem características da máquina (A, C, E) ou invocam a lei errada (D).
• Padrão de cobrança: o ENEM costuma cobrar termodinâmica de forma conceitual e histórica, citando cientistas (Carnot, Clausius, Kelvin) e a distinção entre Primeira e Segunda Lei, sem exigir cálculo de rendimento.
• Generalização: sempre que uma questão falar em "impossibilidade de 100% de rendimento" ou "processos irreversíveis", a resposta gira em torno de entropia e Segunda Lei — não de conservação de energia.
• Dica de eliminação rápida: descarte alternativas que falem em "violar a conservação de energia" (ela nunca é violada) e as que só descrevem uma característica genérica da máquina, sem apontar uma lei física como causa.
• Conexões: revise o Ciclo de Carnot, o rendimento de máquinas térmicas (η = 1 − T_fria/T_quente) e a Terceira Lei da Termodinâmica (impossibilidade de atingir 0 K).