Apostila ENEM - Ciências da Natureza

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Curso Pré-ENEM 81 Ciências da Natureza
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Tema
Origem e evolução do Universo, do planeta e da vida
Tópico de estudo
Termodinâmica.
Entendendo a competência
Competência 6 – Apropriar-se de conhecimentos da física para, em situações problema, interpretar, avaliar ou planejar 
intervenções científico-tecnológicas.
A Física está presente em nosso dia a dia, seja por meio da utilização da tecnologia, seja por possibilidades de explica-
ções dos diversos fenômenos que nos cercam. Você consegue se lembrar de quando acreditava que vivia no interior da 
Terra? Ou quando quis saber por que os objetos caem? Ou como se produz um raio? 
Os conhecimentos produzidos no interior da Física nos permitem perceber o funcionamento do universo e propor solu-
ções tecnológicas para a saúde, o transporte, a produção de alimentos ... 
Procure, ao aprender todos os conceitos, relacionar com o que você observa em seu dia a dia. Dessa forma, seu apren-
dizado será mais significativo e duradouro.
Desvendando a habilidade
Habilidade 21 – Utilizar leis físicas e (ou) químicas para interpretar processos naturais ou tecnológicos inseridos no 
contexto da termodinâmica e(ou) do eletromagnetismo.
As leis físicas funcionam como regras de funcionamento da natureza. Elas são tentativas do ser humano de compre-
ender como as coisas acontecem, quais são as regularidades, o que varia e como varia. Mas, cuidado! As leis físicas 
não são verdades inequívocas, válidas em qualquer contexto. Pelo contrário, estão sujeitas a novas interpretações e 
ao estabelecimento de seus campos de validade. Dentro de cada campo, as leis físicas possuem a capacidade de 
generalizar as explicações. Portanto, tanto para os fenômenos naturais, quanto para aqueles ligados à tecnologia, há 
leis gerais de funcionamento que devem ser entendidas. Se você for trabalhar com todos os fenômenos eletromagné-
ticos, há um pequeno conjunto de regras que podem ser utilizados para gerar explicações e previsões. Você saberia 
dizer qual é ele?
Situações-problema e conceitos básicos
Há certas coisas que acontecem em nosso cotidiano e que, por parecerem muito normais, nós não nos pergun-
tamos sobre o motivo delas ocorrerem. Por exemplo, você já se perguntou o porquê do tempo sempre andar para 
frente? Estranha essa pergunta, não é? Mas, por trás da resposta, encontra-se uma das mais importantes leis da Na-
tureza. Nesta ficha, vamos tratar das Leis da Termodinâmica e, com isso, poderemos responder a essa e a diversas 
outras perguntas. Vamos lá?
Você sabe com funciona o motor de um automóvel? O que significam os termos 1.0 ou mpfi? Qual a diferença 
entre um carro ter 8 ou 16 válvulas?
Para começo de conversa, é importante que você saiba que, dentro do motor, há os chamados cilindros de 
combustão, locais em que ocorre a transformação de energia térmica em cinética,. Normalmente, um motor possui 
quatro cilindros, mas há veículos que possuem seis ou até 8 cilindros!
Para que o motor funcione regularmente, é necessário que nesses cilindros ocorra um ciclo de transformações. 
Cada fase do ciclo é chamada de tempo. No caso dos motores de carros, temos quatro tempos (há motos cujos mo-
tores são de dois tempos, apenas).
Curso Pré-ENEM 82 Ciências da Natureza
Por que você acha necessário que um motor opere em ciclos?
Esta figura mostra os quatro tempos do motor.
Extraído de http://www.if.ufrj.br/teaching/fis2/segunda_lei/segunda_lei.html. 
Acesso em 21.mai.2012
Na fase de admissão, uma válvula (ou duas, dependendo do modelo) permite a entrada de uma mistura de ar 
e combustível no interior do cilindro. Quanto maior o volume do cilindro, maior a quantidade dessa mistura que 
entra. É justamente o volume desses cilindros que determina se o carro é 1.0, 1.3, 1,6, etc. Esses números se referem 
ao volume dos cilindros em litros. Então, já dá para saber por que um carro 2.0 tende a ser mais potente (e gastar 
mais combustível) do que um 1.0?
A segunda fase é a de compressão. Por meio de um êmbolo móvel, essa mistura é comprimida. Fazendo isso, 
ocorre um aumento na densidade, na pressão e na temperatura da mistura, o que aumenta a possibilidade de co-
lisões entre as moléculas de oxigênio do ar e as de combustível. Há combustíveis, como é o caso do diesel, que, 
quando comprimidos a certas pressões, eles explodem e liberam energia térmica.
Essa explosão é o que ocorre no terceiro tempo do ciclo. No auge da compressão, uma fagulha elétrica, produ-
zida por uma vela (ligada ao sistema elétrico do carro), desencadeia uma combustão muito rápida e intensa. Esse 
fenômeno explosivo libera certa quantidade de calor. Imediatamente após a combustão, os gases ali presentes atin-
gem pressões muito elevadas e empurram o pistão para baixo. É somente nesse tempo que ocorre a liberação da 
energia necessária ao funcionamento do automóvel. Note que, por causa do calor liberado, os gases conseguem 
realizar um trabalho sobre o motor. Esse trabalho faz com que ocorra um aumento na energia cinética que é trans-
mitida até os pneus.
O que você acha que iria acontecer com o funcionamento de um motor se
(A) uma das velas ficasse sem funcionar?
(B) a explosão ocorresse antes do momento de máxima compressão?
A explosão gera gás carbônico, água e uma grande variedade de outros produtos. Assim, após a explosão, a 
concentração de oxigênio dentro do cilindro não permite uma nova explosão. É necessário jogar fora esses gases. 
Então, outra válvula (ou outras duas) se abre, permitindo que ocorra a exaustão. Pronto! O ciclo se fecha e, em se-
guida, começa novamente a fase da admissão ...
Para o bom funcionamento de um motor é necessário que os cilindros estejam em tempos diferentes. Isso garan-
te que haja, sempre, um cilindro realizando trabalho.
Antigamente, os motores tinham apenas duas válvulas por cilindro (ou seja, tinham 8 válvulas) cujo comando era me-
cânico. Hoje, é possível que se tenha quatro válvulas por cilindro (16 válvulas). Para que haja a entrada de muito combus-
tível e ar no cilindro, o tamanho das válvulas é um fator importante. Assim, para aumentar a potência em altas rotações, 
os motores precisariam de válvulas grandes. Outra saída encontrada foi a colocação de duas válvulas para cada função. 
Assim, a tendência é que motores de 16 válvulas tenham melhor desempenho que os de 8 válvulas em altas rotações.
Além disso, a injeção de combustível e ar é controlada eletronicamente. Dessa forma, carros assim não precisam 
do carburador, que era o local em que o combustível era misturado ao ar para ser injetado nos cilindros.
Admissão Compressão Combustão Exaustão
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Agora, você acha que todo o calor liberado foi utilizado para a realização do trabalho? 
Escreva a seguir seus argumentos.
Vamos analisar isso bem. Quando um motor de automóvel está em funcionamento, ocorre a emissão de som, 
gases quentes são emitidos pelo cano de descarga e é possível que o próprio carro “trema”. De onde você acha que 
vem a energia responsável por tudo isso? A resposta é direta: da energia liberada durante a combustão. Assim, par-
te da energia não pode ser utilizada para a realização de trabalho. Dizendo de outra forma, a energia é algo que não 
pode ser criada, nem destruída. Ela só se transforma. Essa é uma forma interessante de enunciar a PrimeiraLei da 
Termodinâmica. Essa lei possui aplicações muito amplas em toda a Física. Por exemplo, é ela que explica a lógica de 
todos os regimes para emagrecer: se você “ingerir” menos energia do que utiliza, certamente deverá utilizar parte 
da energia que tem armazenada e, com isso, emagrecer! É muito fácil!
Mas, se a história da termodinâmica parasse aqui, tudo seria mais fácil para nós. 
Apesar de acreditarmos que a energia se transforma, parece que algumas transformações de energia nunca irão 
acontecer.
Por exemplo, imagine que você pegou uma lata com bolinhas de duas cores diferentes, organizadas como mos-
tra a figura da esquerda. Daí, você balançou a lata (transferiu energia, portanto) até que o sistema fique como na 
figura da direita.
Qual a possibilidade de as bolinhas se organizarem por elas mesmas e devolverem para você a energia que fora 
fornecida? Você espera que isso aconteça? Se você vir um filme em que isso ocorre, irá desconfiar de que ele está 
sendo rodado ao contrário, não é?
Pois bem, essa estranha situação não contraria a Primeira Lei da Termodinâmica, pois, no caso, a energia irá se 
conservar.
Mas, será que ela ocorrerá algum dia? O que você acha?
Acho que você já percebeu que somente a Primeira Lei é insuficiente para explicar o mundo ao nosso redor. É ne-
cessário algo que restrinja a conservação da energia, dizendo quais transformações podem e quais não podem ocorrer.
Olhe mais uma vez para a figura. Em qual das duas situações há mais organização? Certamente, na figura da es-
querda, não é? Pois bem, se você deixar uma lata como a figura da esquerda em cima de uma mesa por longo tempo, 
devido às diversas interações com outros objetos, ela irá, lentamente assumindo maior desorganização. E mais: a 
organização só irá voltar se você realizar um trabalho no sentido de produzir, novamente, a ordem. Essa tendência 
à desordem não é obra do acaso, é uma Lei Física.
A grandeza física que mede o grau de desordem de um sistema é chamada de ENTROPIA. As transformações es-
pontâneas de energia sempre ocorrem no sentido de aumentar a entropia. Dessa forma, podemos enunciar a Segunda 
Lei da Termodinâmica da seguinte forma: A Entropia em sistemas fechados deve sempre que possível, aumentar.
Dessa forma, a entropia hoje é maior do que a de ontem e menor que a de amanhã. Isso é uma flecha para o 
tempo!
O fluxo do tempo é, também, um fluxo para o aumento da entropia.
Além disso, esse fato impede que qualquer máquina atinja um aproveitamento de 100% na conversão en-
tre calor e trabalho. Isso ocorre porque parte da energia tende sempre a se tornar indisponível. Por isso, outro 
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enunciado da Segunda Lei da Termodinâmica é: é impossível que uma máquina, operando em ciclos, aproveite 
totalmente o calor recebido.
Por fim, é ainda possível que você utilize o aumento da entropia para explicar o sentido único do calor. Você se 
lembra que vimos isso na ficha de estudos da habilidade 3? O calor sempre passa de um sistema com maior para 
outro de menor temperatura. Jamais no sentido contrário!
Pense em dois sistemas com temperaturas diferentes. Esse é um sistema organizado pois você sabe onde encon-
trar partículas com grande energia e outras com pequena energia. Agora, como a tendência é a desordem, o calor 
se estabelece de tal forma que o corpo mais quente ceda energia e o mais frio, a receba. Dessa forma, eles podem 
atingir o equilíbrio térmico, onde as temperaturas se igualam. Nesse momento, não sabemos mais onde estão as 
partículas mais ou as menos energéticas. Perdemos informações úteis sobre o sistema. No equilíbrio térmico, a 
entropia atinge seu valor máximo.