Questão 121 — ENEM 2017 PPL

Ficha da Questão

• 📚 Matérias Necessárias: Física → Termodinâmica (diagramas P×V, ciclos de máquinas térmicas)
• ⚡ Nível: Médio — exige ler um gráfico P×V, identificar quatro transformações distintas e associar cada uma a troca de calor, trabalho e variação de temperatura.
• 🎯 Tema/Habilidade: Ciclo Diesel e a Primeira Lei da Termodinâmica; competência de interpretar gráficos de pressão × volume em processos cíclicos.
• 🏆 Gabarito: E — revelado após resolução completa

Passo 1 — Leitura Estratégica do Comando

• Comando reformulado: "Entre as quatro etapas do ciclo Diesel (A→B, B→C, C→D, D→A), em qual delas o gás recebe calor do meio externo?"
• Palavras-chave decisivas: calor é absorvido, quatro etapas, duas... adiabáticas
• Armadilha típica: confundir "realizar trabalho" ou "temperatura aumentar" com "absorver calor". Etapas adiabáticas também realizam trabalho e podem elevar a temperatura (por compressão), mas nelas Q = 0 por definição.
• O que a resposta precisa demonstrar: localizar, entre as duas etapas não adiabáticas do ciclo, aquela em que o sistema efetivamente ganha energia térmica do exterior — e justificar isso com o tipo de transformação (isobárica) e o comportamento de volume/temperatura.

Passo 2 — Mapa de Conceitos Essenciais

• Ciclo Diesel: modelo idealizado do motor a diesel, composto por quatro etapas: compressão adiabática do ar, "combustão" a pressão constante (isobárica), expansão adiabática e resfriamento a volume constante (isocórica).
• Transformação adiabática: ocorre sem troca de calor com o meio (Q = 0). Toda variação de energia interna vem exclusivamente do trabalho realizado sobre ou pelo gás.
• Transformação isobárica: pressão constante. Pela equação geral dos gases (PV = nRT), se P é fixa e V aumenta, a temperatura T necessariamente aumenta.
• Primeira Lei da Termodinâmica: ΔU = Q − W. Permite decidir, em cada etapa, se a energia que altera o estado do gás vem de calor (Q) ou de trabalho (W).
• Trabalho no diagrama P×V: corresponde à área sob a curva do processo; quando o volume aumenta (expansão), o gás realiza trabalho positivo sobre o meio.

Passo 3 — Decodificação do Enunciado

• Evidência 1: "O ciclo Diesel é composto por quatro etapas, duas das quais são transformações adiabáticas." → das quatro etapas do gráfico (A→B, B→C, C→D, D→A), apenas duas têm Q = 0; pelo formato curvo (não reto) de A→B e C→D no diagrama, essas são as adiabáticas.
• Evidência 2: "O motor de Diesel é caracterizado pela compressão de ar apenas, com a injeção do combustível no final." → A→B é a compressão adiabática só do ar (sem combustível); o combustível é injetado exatamente no ponto B, dando início à combustão na etapa seguinte, B→C.
• Síntese: se A→B e C→D são as duas adiabáticas (sem troca de calor), o calor só pode circular em B→C e D→A. Como a combustão — fonte de energia térmica do ciclo — acontece logo após a compressão (em B, quando o combustível é injetado no ar quente e comprimido), é em B→C que o sistema absorve calor; em D→A, ao contrário, o gás perde calor para o ambiente (fim do ciclo, escape/resfriamento).

Passo 4 — Resolução Completa (Passo a Passo)

Subpasso 4.1 — Identificando as quatro etapas no gráfico P×V

Observando o diagrama: B e C estão na mesma altura (mesma pressão), com V₁ < V₂ — logo B→C é um segmento horizontal, isto é, isobárico. A e D estão na mesma abscissa V₃ (mesmo volume), com pressões diferentes — logo D→A é um segmento vertical, isto é, isocórico. Restam as duas curvas: A→B (de V₃ até V₁, pressão subindo fortemente) e C→D (de V₂ até V₃, pressão caindo), que são justamente as etapas curvas e mais "inclinadas" do gráfico — coerentes com o enunciado, que afirma haver duas transformações adiabáticas nesse ciclo.

Subpasso 4.2 — Aplicando a 1ª Lei em cada etapa

• A→B (adiabática): compressão do ar puro (V₃→V₁). Q = 0; a temperatura sobe, mas apenas por causa do trabalho de compressão recebido pelo gás (ΔU = −W, com W negativo pois o volume diminui).
• B→C (isobárica): aqui o combustível, injetado em B, queima liberando energia térmica que é absorvida pelo gás (Q > 0). Como a pressão permanece constante e o volume aumenta (V₁→V₂), pela lei geral dos gases a temperatura também aumenta, e o gás realiza trabalho empurrando o pistão (W = P·ΔV > 0).
• C→D (adiabática): expansão (V₂→V₃) com Q = 0; o gás realiza trabalho às custas da própria energia interna, por isso a temperatura cai nessa etapa, apesar de não haver troca de calor.
• D→A (isocórica): volume constante em V₃, com a pressão caindo de D para A. Não há trabalho (ΔV = 0), mas há queda de temperatura, que só pode ocorrer pela liberação de calor ao ambiente (Q < 0) — corresponde à exaustão dos gases no motor real.

Subpasso 4.3 — Verificação

Das quatro etapas, apenas B→C tem calor absorvido pelo sistema (Q > 0): é isobárica, o volume e a temperatura aumentam, e o gás realiza trabalho. Esse conjunto de características bate exatamente com o texto da alternativa E.

Passo 5 — Análise Crítica de Todas as Alternativas

A) A → B e C → D, pois em ambos ocorre realização de trabalho.

❌ Incorreta: A→B e C→D são exatamente as duas etapas adiabáticas do ciclo (Q = 0 em ambas, conforme o próprio enunciado). Realizar trabalho não é sinônimo de absorver calor — pela 1ª Lei, nessas etapas toda variação de energia interna decorre unicamente do trabalho, sem qualquer entrada de calor.

B) A → B e B → C, pois em ambos ocorre elevação da temperatura.

❌ Incorreta: é verdade que a temperatura sobe nas duas etapas, mas em A→B (adiabática) esse aumento vem do trabalho de compressão exercido sobre o gás, e não da absorção de calor (Q = 0 nessa etapa). Essa é a armadilha central da questão: temperatura subir não implica necessariamente calor absorvido.

C) C → D, pois representa uma expansão adiabática e o sistema realiza trabalho.

❌ Incorreta: por definição, todo processo adiabático tem Q = 0. C→D é justamente uma das duas etapas em que não há troca de calor, embora o gás realize trabalho — trabalho esse que é feito às custas da própria energia interna (por isso o gás esfria nessa expansão).

D) A → B, pois representa uma compressão adiabática em que ocorre elevação da temperatura.

❌ Incorreta: mesmo erro conceitual da alternativa B — adiabática significa Q = 0 por definição; a elevação de temperatura em A→B vem do trabalho de compressão recebido pelo gás, e não de calor absorvido do ambiente.

E) B → C, pois representa expansão isobárica em que o sistema realiza trabalho e a temperatura se eleva.

✅ Correta: B→C é a única etapa não adiabática em que o volume aumenta a pressão constante (isobárica). Isso implica, simultaneamente, trabalho positivo realizado pelo gás e elevação de temperatura — exatamente o que ocorre fisicamente quando o combustível injetado em B queima e libera calor para o sistema, empurrando o pistão no motor real.

🏆 Gabarito: E — B→C é a etapa isobárica em que a combustão fornece calor ao gás, que se expande, realiza trabalho e tem sua temperatura elevada; é a única etapa do ciclo em que há absorção líquida de calor.

Passo 6 — Conclusão, Generalização e Dica de Prova

• Reafirmação do gabarito: E é a única alternativa que localiza corretamente a etapa de absorção de calor (B→C) e justifica isso com as três propriedades fisicamente coerentes: processo isobárico, trabalho realizado pelo gás e aumento de temperatura — sem confundir essa etapa com as adiabáticas.
• Padrão de cobrança: o ENEM recorrentemente apresenta diagramas P×V de máquinas térmicas (Carnot, Otto, Diesel, refrigeradores) pedindo para identificar em qual etapa há absorção ou liberação de calor, trabalho realizado e variação de energia interna, sempre à luz da Primeira Lei da Termodinâmica.
• Generalização: em qualquer ciclo termodinâmico num diagrama P×V, as etapas adiabáticas nunca trocam calor (Q = 0), mesmo que nelas a temperatura varie por causa do trabalho; o calor só entra ou sai do sistema nas etapas isobáricas ou isocóricas, dependendo se volume/pressão aumentam (absorção) ou diminuem (liberação).
• Dica de eliminação rápida: primeiro descarte qualquer alternativa que associe uma etapa adiabática (identificada pelo próprio enunciado ou pelo traçado curvo do gráfico) à absorção de calor — isso já elimina A, C e D. Depois, entre as duas etapas restantes (isobárica e isocórica), escolha a que tem volume e temperatura aumentando (absorção), não diminuindo (liberação).
• Conexões: compare com o ciclo de Carnot (máquina térmica ideal, com duas isotérmicas e duas adiabáticas) e com o ciclo Otto (motor a gasolina, cuja combustão é isocórica em vez de isobárica) — temas frequentemente cobrados junto ao ciclo Diesel.