Questão 113 do ENEM 2020 — Física
Tanto a conservação de materiais biológicos como o resfriamento de certos fotodetectores exigem baixas temperaturas que não são facilmente atingidas por refrigeradores. Uma prática comum para atingi-las é o uso de nitrogênio líquido, obtido pela expansão adiabática do gás N2, contido em um recipiente acoplado a um êmbolo, que resulta no resfriamento em temperaturas que chegam até seu ponto de liquefação em −196 °C. A figura exibe o esboço de curvas de pressão em função do volume ocupado por uma quantidade de gás para os processos isotérmico e adiabático. As diferenças entre esses processos podem ser identificadas com base na primeira lei da termodinâmica, que associa a variação de energia interna à diferença entre o calor trocado com o meio exterior e o trabalho realizado no processo.
Isoterma
Pressão
Adiabática
Volume
A expansão adiabática viabiliza o resfriamento do N2 porque
Resolução comentada
A questão pergunta por que a expansão adiabática do N₂ o resfria, e a chave é aplicar a primeira lei da termodinâmica.
A primeira lei é: ΔU = Q − W, onde ΔU é a variação da energia interna, Q é o calor trocado com o meio e W é o trabalho realizado pelo gás. Um processo adiabático é aquele em que não há troca de calor com o ambiente, isto é, Q = 0.
Com Q = 0, a equação fica:
ΔU = − W
Na expansão, o gás empurra o êmbolo e realiza trabalho (W > 0). Esse trabalho é custeado pela própria energia interna, então ΔU < 0. Como a energia interna de um gás ideal depende da temperatura (ΔU ∝ ΔT), a temperatura diminui. Isso explica o resfriamento até a liquefação, a −196 °C.
A resposta é o trabalho ser associado diretamente à variação de energia interna, sem troca de calor entre o gás e o ambiente. As outras explicações erram ao falar em entrada ou saída de calor (que não existem num processo adiabático), ou ao afirmar que ΔU é nula, o que só vale na transformação isotérmica, em que a temperatura não muda. Também não existe "entrada de frio": frio é ausência de energia térmica, não algo que entra.