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    Módulo 7 de 10 · ~40 min

    Termodinâmica

    Como um motor transforma calor em movimento? Por que nenhuma máquina rende 100%? Neste módulo você domina as leis da termodinâmica e as transformações gasosas.

    Calor, trabalho e energia interna

    Na termodinâmica, estudamos um sistema (em geral um gás) que troca energia com a vizinhança de duas formas:

    • Calor (Q): energia transferida por diferença de temperatura.
    • Trabalho (W): energia transferida por movimento — por exemplo, a expansão do gás empurrando um pistão.

    A energia interna (U) é a soma das energias microscópicas das moléculas. Para um gás ideal, ela depende apenas da temperatura.

    1ª Lei da Termodinâmica

    A 1ª Lei é a conservação da energia aplicada a sistemas térmicos:

    ΔU = Q − W

    • Q > 0: sistema recebe calor; Q < 0: perde calor.
    • W > 0: sistema realiza trabalho (expansão); W < 0: recebe trabalho (compressão).
    • ΔU > 0: energia interna (e temperatura, no gás ideal) aumenta.

    Transformações gasosas

    Isotérmica (T constante)

    ΔU = 0, então Q = W: todo calor recebido vira trabalho. Gráfico p × V: hipérbole (lei de Boyle).

    Isobárica (p constante)

    W = p · ΔV. O gás troca calor, trabalho e muda de temperatura ao mesmo tempo.

    Isovolumétrica (V constante)

    W = 0, então ΔU = Q: todo o calor altera a energia interna.

    Adiabática (Q = 0)

    ΔU = −W: na expansão adiabática o gás esfria; na compressão, aquece. Processos muito rápidos são quase adiabáticos.

    2ª Lei e máquinas térmicas

    A 2ª Lei da Termodinâmica afirma que o calor não flui espontaneamente do corpo frio para o quente e que nenhuma máquina térmica converte todo o calor em trabalho.

    Uma máquina térmica opera em ciclos: retira calor Q₁ da fonte quente, realiza trabalho W e rejeita Q₂ para a fonte fria. O rendimento é:

    η = W / Q₁ = (Q₁ − Q₂) / Q₁

    Motores a combustão, usinas termelétricas e turbinas a vapor são máquinas térmicas — todas com rendimento bem abaixo de 100%.

    Ciclo de Carnot

    Em 1824, Sadi Carnot mostrou que existe um limite teórico para o rendimento de qualquer máquina entre duas temperaturas — o ciclo de Carnot (duas isotérmicas e duas adiabáticas):

    η_Carnot = 1 − T_fria / T_quente (temperaturas em Kelvin)

    Nenhuma máquina real atinge esse rendimento — ele é o teto máximo. Para aumentar a eficiência, eleva-se a temperatura da fonte quente ou reduz-se a da fonte fria.

    Entropia e a seta do tempo

    A entropia mede a desordem de um sistema. Em todo processo espontâneo, a entropia total do universo aumenta: gelo derrete, perfume se espalha, calor flui do quente para o frio — e nunca o contrário espontaneamente. É o que dá direção ao tempo nos fenômenos físicos.

    Dica ENEM: confira sempre os sinais de Q e W antes de aplicar ΔU = Q − W. E em qualquer cálculo de rendimento de Carnot, converta as temperaturas para Kelvin (K = °C + 273) — usar Celsius é o erro mais comum.

    Exercícios resolvidos

    Cinco exercícios comentados passo a passo.

    Exercício 1. Um gás recebe 500 J de calor e realiza 200 J de trabalho. Qual a variação de sua energia interna?

    1. 1ª Lei da Termodinâmica: ΔU = Q − W.
    2. ΔU = 500 − 200.

    Resposta: ΔU = 300 J — a energia interna do gás aumenta

    Exercício 2. Uma máquina térmica recebe 1.000 J de calor da fonte quente e rejeita 600 J para a fonte fria. Qual seu rendimento?

    1. Trabalho útil: W = Q_quente − Q_fria = 1.000 − 600 = 400 J.
    2. Rendimento: η = W / Q_quente = 400 / 1.000.

    Resposta: η = 0,40 = 40%

    Exercício 3. Um gás ideal é comprimido isotermicamente (temperatura constante). O que acontece com sua energia interna e com o calor trocado?

    1. Para um gás ideal, a energia interna depende só da temperatura: se T é constante, ΔU = 0.
    2. Pela 1ª Lei: 0 = Q − W → Q = W.

    Resposta: ΔU = 0; todo o calor recebido vira trabalho (Q = W)

    Exercício 4. Uma máquina de Carnot opera entre 227 °C e 27 °C. Qual seu rendimento máximo?

    1. Converter para Kelvin: T_quente = 227 + 273 = 500 K; T_fria = 27 + 273 = 300 K.
    2. Rendimento de Carnot: η = 1 − T_fria / T_quente.
    3. η = 1 − 300 / 500 = 1 − 0,6.

    Resposta: η = 0,40 = 40% — nenhuma máquina entre essas temperaturas pode render mais que isso

    Exercício 5. Em uma transformação isobárica (pressão constante) de 2 × 10⁵ Pa, um gás expande de 0,01 m³ para 0,03 m³. Qual o trabalho realizado?

    1. Na isobárica: W = p · ΔV.
    2. ΔV = 0,03 − 0,01 = 0,02 m³.
    3. W = 2 × 10⁵ × 0,02.

    Resposta: W = 4.000 J, realizado pelo gás (expansão)

    Exercícios para praticar

    Tente resolver antes de revelar a resposta.

    1. Qual a diferença entre calor e temperatura?

    2. Enuncie a 1ª Lei da Termodinâmica.

    3. O que diz a 2ª Lei da Termodinâmica?

    4. O que é uma transformação adiabática?

    5. Por que nenhuma máquina térmica tem rendimento de 100%?

    6. O que é entropia?

    7. Um refrigerador 'esfria por dentro e esquenta por fora'. Isso viola a 2ª Lei?

    8. Qual o valor do zero absoluto e seu significado?

    Perguntas frequentes

    O que diz a 1ª Lei da Termodinâmica?

    ΔU = Q − W: a variação de energia interna de um sistema é o calor recebido menos o trabalho realizado por ele. É a lei da conservação da energia para sistemas térmicos.

    Quais são as principais transformações gasosas?

    Isotérmica (T constante, ΔU = 0), isobárica (p constante, W = p·ΔV), isovolumétrica (V constante, W = 0) e adiabática (sem troca de calor, Q = 0).

    Como funciona uma máquina térmica?

    Ela opera em ciclos entre uma fonte quente e uma fonte fria: retira calor da fonte quente, converte parte em trabalho e rejeita o restante para a fonte fria. Motor de carro e usina termelétrica são exemplos.

    O que é o ciclo de Carnot?

    O ciclo ideal (teórico) com o máximo rendimento possível entre duas temperaturas: η = 1 − T_fria/T_quente, com temperaturas em Kelvin. Nenhuma máquina real supera esse limite.

    Por que temperaturas devem estar em Kelvin na termodinâmica?

    As fórmulas (como η = 1 − T_fria/T_quente e p·V = n·R·T) exigem a escala absoluta. Usar Celsius daria resultados errados, pois 0 °C não é o zero real de temperatura. Para converter: K = °C + 273.

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    Sobre este conteúdo

    Última atualização: Setembro de 2026 · Responsável editorial: Felipe da Silva Lopes · Papel editorial no cluster: módulo da Trilha de Física Intermediária — 1ª e 2ª Leis da Termodinâmica, transformações gasosas, máquinas térmicas e ciclo de Carnot.

    Metodologia: Conteúdo estruturado a partir da BNCC (área de Ciências da Natureza), da matriz de referência do ENEM e da bibliografia clássica de Física do ensino médio. Conteúdo revisado conforme política editorial.

    Fontes técnicas: INEP (matriz do ENEM); Ramalho, Nicolau & Toledo — Os Fundamentos da Física; Halliday, Resnick & Walker — Fundamentos de Física.