Fuvest · Física

Questões de Termodinâmica da Fuvest

13 questões oficiais da Fuvest sobre Termodinâmica, de 2007 a 2025, com gabarito e resolução comentada. Dificuldade estimada: 1 fácil, 11 médias, 1 difícil.

Treine Termodinâmica com 13 questões da Fuvest

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6 questões de Termodinâmica resolvidas

Questão 1 · Fuvest 2025 · Questão 73média

Um artigo publicado em 2018, na Revista Brasileira de Ensino de Física, reporta um curioso estudo sobre a pressão interna de “foguetes de garrafa PET”, propulsionados a partir da reação química entre ácido acético e bicarbonato de sódio.^[1] Uma mistura de vinagre (que contém ácido acético, CH₃COOH) com bicarbonato de sódio (NaHCO₃) produz gás carbônico (CO₂) por meio da reação química representada pela seguinte equação:

CH₃COOH + NaHCO₃ → CH₃COONa + CO₂ + H₂O

A reação ocorre no interior de uma garrafa PET de 2 L de volume útil total, da qual foi retirado todo o ar. Insere-se na garrafa um volume inicial V_vin de vinagre líquido e bicarbonato de sódio, sendo a garrafa posteriormente selada com uma tampa acoplada a um manômetro. A reação produzirá gás carbônico que ocupará um volume V_CO2 e exercerá uma pressão P_CO2 sobre a tampa da garrafa, medida pelo manômetro, como mostra a figura.

[1] FONSECA et al, RBEF, vol. 40, nº 3, e3504 (2018). Disponível em http://dx.doi.org/10.1590/1806-9126-RBEF2017-0340.

Suponha que a reação produza 2 mols de CO₂ para cada 3 litros de vinagre. Nas condições do experimento, em que o volume de líquido é 1/3 de litro à temperatura T = 300 K, a pressão P_CO2 medida pelo manômetro será por volta de

Note e adote:
Considere o CO₂ como um gás ideal.
Constante dos gases ideais: R = 0,08 atm.L/(K.mol).
Assuma que todo o ácido acético do vinagre reagiu com o bicarbonato de sódio e que o líquido resultante da reação ocupa aproximadamente o mesmo volume do vinagre antes da reação (V_vin).

A
3,2 atm.
B
4,1 atm.
C
6,2 atm.
D
9,0 atm.
E
12 atm.

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Gabarito: A

1. Mols de CO₂

2 mol de CO₂ para cada 3 L de vinagre; com 1/3 L:
n = 2 × (1/3) ÷ 3 = 2/9 mol

2. Volume do gás

A garrafa tem 2 L e o líquido ocupa 1/3 L:
V = 2 − 1/3 = 5/3 L

3. Pressão (gás ideal)

P V = n R T
P = (2/9 × 0,08 × 300) ÷ (5/3)
P = (2/9 × 24) × 3/5 = (16/3) × (3/5) = 3,2 atm

Resposta: A

Dica: o gás ocupa só o espaço que sobra no recipiente; desconte o volume do líquido.

Questão 2 · Fuvest 2020 · Questão 73difícil

A velocidade de escape de um corpo celeste é a mínima velocidade que um objeto deve ter nas proximidades da superfície desse corpo para escapar de sua atração gravitacional. Com base nessa informação e em seus conhecimentos sobre a interpretação cinética da temperatura, considere as seguintes afirmações a respeito da relação entre a velocidade de escape e a atmosfera de um corpo celeste.

I. Corpos celestes com mesma velocidade de escape retêm atmosferas igualmente densas, independentemente da temperatura de cada corpo.
II. Moléculas de gás nitrogênio escapam da atmosfera de um corpo celeste mais facilmente do que moléculas de gás hidrogênio.
III. Comparando corpos celestes com temperaturas médias iguais, aquele com a maior velocidade de escape tende a reter uma atmosfera mais densa.

Apenas é correto o que se afirma em

A
I.
B
II.
C
III.
D
I e II.
E
I e III.

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Gabarito: C

Pela interpretação cinética, a temperatura mede a energia cinética média das moléculas: (1/2)·m·v² é proporcional a T. Logo, as moléculas são mais rápidas quando a temperatura é maior e quando a molécula é mais leve. Um gás escapa quando muitas moléculas atingem a velocidade de escape.

I. Falsa. Com a mesma velocidade de escape, o corpo mais quente tem moléculas mais rápidas e perde mais gás. A temperatura importa.

II. Falsa. N₂ (28 g/mol) é bem mais pesado que H₂ (2 g/mol); na mesma temperatura, o hidrogênio é mais rápido e escapa com mais facilidade.

III. Verdadeira. Na mesma temperatura, as moléculas têm a mesma distribuição de velocidades; quanto maior a velocidade de escape, menos moléculas conseguem fugir, e a atmosfera fica mais densa.

Resposta: C (apenas III).

Dica: atmosfera retida = disputa entre a velocidade das moléculas (cresce com T e diminui com a massa) e a velocidade de escape (gravidade do astro).

Questão 3 · Fuvest 2016 · Questão 29média

Uma garrafa tem um cilindro afixado em sua boca, no qual um êmbolo pode se movimentar sem atrito, mantendo constante a massa de ar dentro da garrafa, como ilustra a figura.

Inicialmente, o sistema está em equilíbrio à temperatura de 27 °C. O volume de ar na garrafa é igual a 600 cm³ e o êmbolo tem uma área transversal igual a 3 cm². Na condição de equilíbrio, com a pressão atmosférica constante, para cada 1 °C de aumento da temperatura do sistema, o êmbolo subirá aproximadamente

A
0,7 cm
B
1,4 cm
C
2,1 cm
D
3,0 cm
E
6,0 cm

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Gabarito: A

A pressão do ar na garrafa fica constante (é a atmosférica, mais o peso do êmbolo, que não muda). Transformação isobárica: V/T = constante.

1. Temperatura em kelvin: 27 °C = 300 K.

2. Aumento de volume para 1 K (= 1 °C):

ΔV/V = ΔT/T → ΔV = 600 × 1/300 = 2 cm³

3. Subida do êmbolo: o volume extra ocupa o cilindro de 3 cm² de área:

Δh = ΔV ÷ A = 2 ÷ 3 ≈ 0,67 cm ≈ 0,7 cm

Resposta: A

Por que as outras atraem: B (1,4 cm) usa a área pela metade; quem usa 27 em vez de 300 K acha valores muito maiores (perto de E).

Dica: nas leis dos gases, a temperatura vai sempre em kelvin; mas uma variação de 1 °C é igual a uma variação de 1 K.

Questão 4 · Fuvest 2015 · Questão 64média

Certa quantidade de gás sofre três transformações sucessivas, A→B, B→C e C→A, conforme o diagrama p-V apresentado na figura abaixo.

A respeito dessas transformações, afirmou-se o seguinte:

I. O trabalho total realizado no ciclo ABCA é nulo.
II. A energia interna do gás no estado C é maior que no estado A.
III. Durante a transformação A → B, o gás recebe calor e realiza trabalho.

Está correto apenas o que se afirma em

A
I.
B
II.
C
III.
D
I e II.
E
II e III.

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Gabarito: E

No diagrama, A → B é uma expansão a pressão constante, B → C é a isoterma (compressão) e C → A é uma descida de pressão a volume constante.

I. Falsa. O trabalho no ciclo é a área dentro dele. De A para B o gás realiza trabalho (área sob AB); de B para C recebe trabalho maior (área sob a curva BC, que fica acima de AB). O ciclo é percorrido no sentido anti-horário: trabalho total negativo, não nulo.

II. Verdadeira. B → C é isotérmica, então T_C = T_B. De A para B a pressão é constante e o volume aumenta, logo a temperatura sobe: T_B > T_A. Assim T_C > T_A, e a energia interna de um gás ideal só depende de T: U_C > U_A.

III. Verdadeira. Em A → B o volume aumenta (o gás realiza trabalho) e a temperatura sobe (ΔU > 0). Pela 1ª lei, Q = ΔU + W > 0: o gás recebe calor.

Resposta: E (II e III).

Por que as outras atraem: quem pensa "volta ao estado inicial, então tudo se anula" marca I. Isso vale para a energia interna no ciclo, não para o trabalho.

Dica: em um ciclo, ΔU = 0, mas o trabalho é a área do ciclo no diagrama p-V (positivo no sentido horário, negativo no anti-horário).

Questão 5 · Fuvest 2012 · Questão 85média

Em uma sala fechada e isolada termicamente, uma geladeira, em funcionamento, tem, num dado instante, sua porta completamente aberta. Antes da abertura dessa porta, a temperatura da sala é maior que a do interior da geladeira. Após a abertura da porta, a temperatura da sala,

A
diminui até que o equilíbrio térmico seja estabelecido.
B
diminui continuamente enquanto a porta permanecer aberta.
C
diminui inicialmente, mas, posteriormente, será maior do que quando a porta foi aberta.
D
aumenta inicialmente, mas, posteriormente, será menor do que quando a porta foi aberta.
E
não se altera, pois se trata de um sistema fechado e termicamente isolado.

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Gabarito: C

No início: com a porta aberta, o ar frio de dentro da geladeira se mistura ao da sala, e a temperatura da sala cai um pouco.

Depois: a geladeira é uma máquina térmica que retira calor de um lado e joga no outro (pela grade de trás), mais a energia elétrica consumida pelo motor. Com a porta aberta, ela só "move" calor da sala para a própria sala, mas a energia elétrica que recebe vira calor dentro do ambiente isolado. Como nada sai da sala, a energia interna do ar aumenta continuamente.

Assim, a temperatura cai no início e, com o tempo, fica maior do que no momento da abertura.

Resposta: C.

Por que as outras atraem: A e B tratam a geladeira como um "bloco de gelo" que só esfria; E esquece que entra energia elétrica no sistema, mesmo isolado termicamente.

Dica: num ambiente fechado, todo aparelho ligado acaba aquecendo o ar: a energia elétrica consumida vira calor.

Questão 6 · Fuvest 2008 · Questão 15média

Em algumas situações de resgate, bombeiros utilizam cilindros de ar comprimido para garantir condições normais de respiração em ambientes com gases tóxicos. Esses cilindros, cujas características estão indicadas na tabela, alimentam máscaras que se acoplam ao nariz. Quando acionados, os cilindros fornecem para a respiração, a cada minuto, cerca de 40 litros de ar, à pressão atmosférica e temperatura ambiente. Nesse caso, a duração do ar de um desses cilindros seria de aproximadamente

A
20 minutos.
B
30 minutos.
C
45 minutos.
D
60 minutos.
E
90 minutos.

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Gabarito: C

A temperatura é constante, então vale p × V = constante (lei de Boyle).

1. Volume do ar à pressão atmosférica: 200 atm × 9 L = 1 atm × V, logo V = 1 800 L.

2. Ar que sai: o cilindro para de fornecer ar quando sua pressão chega a 1 atm, e ainda guarda 9 L. Saem 1 800 − 9 ≈ 1 790 L.

3. Duração: 1 790 L ÷ 40 L/min ≈ 45 min.

Resposta: C

Por que as outras atraem: quem divide os 9 L direto por 40 L/min, sem levar em conta a compressão, chega a menos de um minuto e não encontra resposta; quem erra a conversão das pressões chega a outros valores.

Dica: gás comprimido a 200 atm, liberado à pressão ambiente com a mesma temperatura, ocupa cerca de 200 vezes o volume do cilindro.