Questão 130 — ENEM 2024Caderno azul · 2º Dia

Ficha da Questão

- Matérias Necessárias: Física → Termodinâmica (ciclo de Otto, diagrama P-V, transformações termodinâmicas)

- Nível: Médio — exige identificar qual etapa do ciclo de Otto corresponde à transformação de energia térmica em energia útil (trabalho)

- Tema/Habilidade BNCC: Termodinâmica; ciclos termodinâmicos; diagrama P-V; motores de combustão interna

- Gabarito: C — revelado após resolução completa

Passo 1 — Leitura Estratégica do Comando

- Comando reformulado: Em qual etapa do ciclo de Otto ocorre a transformação de energia térmica em energia útil (trabalho mecânico)?

- Palavras-chave decisivas: energia térmica em energia útil, ciclo de Otto, diagrama P-V

- Armadilha típica: Confundir a etapa de adição de calor (combustão — etapa III) com a etapa de conversão em trabalho (expansão adiabática — etapa IV). O calor é adicionado na III, mas é convertido em trabalho durante a IV.

- O que a resposta precisa demonstrar: Identificar a etapa de expansão adiabática (etapa III→IV no diagrama, correspondendo ao processo IV na tabela) como aquela em que a energia térmica da combustão é convertida em trabalho mecânico útil.

Passo 2 — Mapa de Conceitos Essenciais

- Ciclo de Otto: Ciclo termodinâmico de 4 processos usado em motores a gasolina: admissão (I), compressão adiabática (II), combustão isocórica (III), expansão adiabática (IV), exaustão (V→VI).

- Expansão adiabática (etapa III→IV): Etapa em que os gases quentes da combustão empurram o pistão, realizando trabalho mecânico. Não há troca de calor com o exterior — toda a energia interna é convertida em trabalho útil.

- Diagrama P-V: Trabalho realizado = área sob a curva no diagrama P-V. A expansão (volume aumenta, pressão cai) corresponde a trabalho realizado PELO gás (energia útil).

Passo 3 — Decodificação do Enunciado

- Evidência 1: O diagrama P-V mostra 4 pontos: 0/1 (na base), 2 (acima à esquerda), 3 (pico de pressão), 4 (à direita). A curva vai de 1→2 (compressão), 2→3 (combustão isocórica — pressão sobe a volume constante), 3→4 (expansão, pressão cai), 4→1 (rejeição de calor).

- Evidência 2: A tabela descreve 6 etapas: I (0→1: admissão isobárica), II (1→2: compressão adiabática), III (2→3: adição de energia por combustão), IV (3→4: expansão adiabática), V (4→1: liberação de energia como calor), VI (1→0: exaustão).

- Síntese: A etapa IV (3→4: expansão adiabática) é quando os gases quentes se expandem empurrando o pistão. Não há troca de calor (adiabático), então toda a energia interna é convertida em trabalho mecânico útil.

Passo 4 — Resolução Completa (Passo a Passo)

Subpasso 4.1 — Analisar o diagrama P-V

O diagrama mostra:

- 1→2: compressão (volume diminui, pressão sobe) — trabalho realizado SOBRE o gás

- 2→3: combustão isocórica (volume constante, pressão sobe muito) — calor adicionado

- 3→4: expansão (volume aumenta, pressão cai) — trabalho realizado PELO gás = energia útil

- 4→1: rejeição de calor (isocórica) — perda de energia

Subpasso 4.2 — Identificar a etapa de conversão

A área W (hachurada em amarelo) no diagrama representa o trabalho líquido realizado pelo ciclo. A maior contribuição vem da expansão 3→4. A tabela confirma: etapa IV = "expansão adiabática" = os gases se expandem, realizando trabalho no pistão.

Subpasso 4.3 — Verificar a alternativa C

Alternativa C: "IV" (etapa de expansão adiabática, ponto 3→4 do diagrama). Esta é a etapa em que a energia térmica (adicionada na combustão, etapa III) é convertida em energia mecânica útil (movimento do pistão). Gabarito C.

Passo 5 — Análise Crítica de Todas as Alternativas

A) II.

Incorreta: Etapa II = compressão adiabática (1→2). Nesta etapa, o trabalho é realizado SOBRE o gás (pistão comprime a mistura ar-combustível). Não há conversão de calor em trabalho útil — ao contrário, é o pistão que realiza trabalho sobre o gás.

B) III.

Incorreta: Etapa III = admissão de energia pela combustão (2→3, isocórica). Nesta etapa, a energia química do combustível é transformada em calor (energia interna do gás), mas não em trabalho mecânico útil — é isocórica (volume constante = sem deslocamento do pistão).

C) IV.

Correta: Etapa IV = expansão adiabática (3→4). Os gases quentes da combustão se expandem empurrando o pistão — trabalho mecânico útil. Como é adiabática (sem troca de calor), toda a diminuição de energia interna é convertida em trabalho: ΔU = -W (W = trabalho positivo realizado pelo gás).

D) [alternativa não disponível — consultar prova original]

E) VI.

Incorreta: Etapa VI = liberação dos gases resultantes da combustão (exaustão, 1→0). Esta etapa expele os gases queimados do cilindro — não há conversão de energia térmica em trabalho útil.

Gabarito: C — A etapa IV (expansão adiabática, 3→4) é onde a energia térmica é convertida em energia útil: os gases quentes se expandem empurrando o pistão, realizando trabalho mecânico.

Passo 6 — Conclusão, Generalização e Dica de Prova

- Reafirmação do gabarito: C é a única alternativa que corresponde à expansão adiabática (etapa IV), onde toda a energia interna do gás é convertida em trabalho mecânico útil, pois não há troca de calor (adiabático).

- Padrão de cobrança: O ENEM frequentemente usa diagramas P-V e ciclos termodinâmicos para avaliar compreensão dos motores de combustão e da segunda lei da termodinâmica.

- Generalização: Em qualquer ciclo termodinâmico: energia útil = trabalho nas etapas de EXPANSÃO. A eficiência do ciclo = trabalho líquido / calor absorvido na combustão.

- Dica de eliminação rápida: Identifique que "energia útil = trabalho do gás = expansão". No ciclo de Otto: apenas a expansão adiabática (IV) realiza trabalho útil. Elimine II (compressão — trabalho sobre o gás), III (combustão isocórica — sem deslocamento), V e VI (rejeição e exaustão).

- Conexões com outros temas: Segunda lei da termodinâmica; eficiência de máquinas térmicas; ciclo de Carnot; motores a diesel (ciclo de Diesel).