Questão 104 — ENEM 2023 PPL

Ficha da Questão

• Matérias necessárias: Física → Termodinâmica (transformações gasosas: isobárica, isotérmica, isocórica, adiabática) + Primeira Lei (ΔU = Q − W) + Mecânica de fluidos básica.
• Nível: Médio — exige reconhecer que a compressão rápida do ar pelo turbo é aproximadamente adiabática (sem troca significativa de calor com o meio em tempo curto) e descartar a ideia (errada) de que o ar é aquecido diretamente pelos gases de escape.
• Tema/Habilidade BNCC: transformações termodinâmicas e aplicações em motores.
• Gabarito: B.

Passo 1 — Leitura Estratégica do Comando

• Comando reformulado: "Por que o ar que sai do turbocompressor está quente, se ele é apenas comprimido (não aquecido por uma chama)?"
• Palavras-chave decisivas: rotor da caixa fria produz a compressão, intercooler reduz a temperatura depois, caixa fria (não encosta nos gases de escape), caixa quente (gases de escape).
• Armadilha típica: marcar D ou E — supor que o ar recebe calor direto dos gases de escape ou do motor. Mas as caixas são separadas: os gases quentes giram a caixa quente e transferem energia mecânica pelo eixo, não calor ao ar da caixa fria.
• Critério de acerto: lembrar que compressão rápida ≈ adiabática → W sobre o gás aumenta U → T sobe, sem troca de calor significativa.

Passo 2 — Mapa de Conceitos Essenciais

• Transformações gasosas (gás ideal):

- Isobárica: P constante → V e T mudam juntos.

- Isotérmica: T constante → PV = cte; calor trocado.

- Isocórica: V constante → W = 0; Q aquece/resfria.

- Adiabática: Q = 0 → toda energia do trabalho vira variação de U → T muda.

• Adiabática + compressão: W é feito sobre o gás (W < 0 na convenção ΔU = Q − W); com Q = 0, ΔU = −W > 0 → T aumenta. Intuição: comprimir um gás rapidamente sem deixar escapar calor aquece-o.
• Turbocompressor: dispositivo com duas turbinas mecanicamente acopladas por eixo:

- Caixa quente: gases de escape giram a turbina (sem aquecer o ar novo).

- Caixa fria (compressor): roda solidariamente e comprime o ar atmosférico para injetá-lo no motor.

• Por que existe o intercooler? Porque o ar que sai do compressor está quente (devido à compressão adiabática) e isso reduz a densidade. Reduzir a temperatura → aumentar a densidade → mais O₂ por cilindrada → mais potência.

Passo 3 — Decodificação do Enunciado

• Evidência 1: "No interior de cada uma dessas caixas, existe um rotor e ambos são interligados por um mesmo eixo" → troca de energia é mecânica (rotação), não térmica.
• Evidência 2: "a passagem dos gases faz girar o rotor" (caixa quente) → gases de escape só transferem trabalho mecânico ao eixo.
• Evidência 3: "redução da temperatura do ar quente que sai do turbo" (intercooler) → prova textual de que o ar sai quente do turbo, não por aquecimento direto.
• Síntese: como o ar é comprimido rapidamente e não recebe calor externo significativo, a transformação é adiabática e a temperatura sobe pela própria compressão.

Passo 4 — Resolução Completa (Passo a Passo)

Subpasso 4.1 — Descartar troca térmica direta

• Caixas são separadas mecanicamente; não há tubulação trocando calor entre gás de escape e ar fresco dentro do turbo.
• Logo, as opções D e E (calor direto dos gases / do motor) estão fisicamente erradas para o escopo do dispositivo.

Subpasso 4.2 — Identificar a transformação no compressor

• Ar entra a pressão atmosférica (~1 atm) e sai a pressão maior (até 2-3 atm em turbos comuns).
• A compressão é rápida (milissegundos) → não há tempo para trocas térmicas com a carcaça.
• Classificação: adiabática (Q ≈ 0).

Subpasso 4.3 — Aplicar a Primeira Lei

• Para adiabática: ΔU = −W.
• Em compressão, trabalho é feito sobre o gás (W < 0 no gás).
• Logo, ΔU > 0 → T aumenta.
• Quantitativamente, para gás ideal: T·V^(γ−1) = cte → ao diminuir V, T sobe.

Subpasso 4.4 — Justificar o intercooler

• Como o ar sai quente e menos denso, o intercooler resfria-o para aumentar a massa de ar admitida no cilindro → maior eficiência volumétrica → maior potência.

Passo 5 — Análise Crítica de Todas as Alternativas

A) sofreu uma compressão isocórica.

❌ Incorreta. Isocórica é volume constante — não há compressão alguma. Contradiz o enunciado, que explicita "produzindo a compressão".

B) sofreu uma compressão adiabática. ✅ Correta.

Compressão rápida + ausência de contato térmico direto + aquecimento observado = descrição clássica de adiabática.

C) sofreu uma transformação isotérmica.

❌ Incorreta. Isotérmica é T constante — se T não mudasse, não haveria "ar quente saindo do turbo" nem necessidade de intercooler.

D) recebeu diretamente calor dos gases aquecidos do sistema de escape.

❌ Incorreta. As caixas são separadas; gases de escape só transferem trabalho mecânico via eixo.

E) recebeu diretamente calor do motor a combustão que está em alta temperatura.

❌ Incorreta. Mesmo raciocínio — o motor não aquece diretamente o ar do compressor por condução; a única troca termodinâmica entre motor e turbo é via gases de escape, já descartada em D.

🏆 Gabarito: B — compressão adiabática.

Passo 6 — Conclusão, Generalização e Dica de Prova

• Reafirmação: compressão rápida + sem troca térmica ≈ adiabática → T sobe pela conversão de W em U.
• Padrão de cobrança ENEM: transformações gasosas aparecem em bombas de bicicleta, pneus, turbos, geladeiras. Identificar a rapidez do processo e a presença ou não de troca térmica é o truque.
• Generalização: Regra do "rápido" — sempre que o processo é rápido comparado ao tempo de troca térmica com o ambiente, trate como adiabático.
• Dica de eliminação: A (isocórica) e C (isotérmica) não batem com compressão que aquece. D e E exigem caminho térmico que o próprio texto nega. Sobra B.
• Conexões: ciclo Otto (motores a gasolina), ciclo Diesel, equação de Poisson (PVγ = cte), coeficiente adiabático γ, ciclo de Carnot.