Questão 114 do ENEM 2016 — Ciências da Natureza

A questão trata de um dos conceitos centrais da Termodinâmica: o funcionamento das máquinas térmicas e o Teorema de Carnot.

Para entender por que o rendimento dessas máquinas é limitado, precisamos recorrer à Segunda Lei da Termodinâmica. Segundo essa lei, é impossível construir uma máquina térmica que, operando em ciclos, converta integralmente em trabalho todo o calor recebido da fonte quente. Ou seja, o rendimento nunca pode ser de $100\%$.

Mas por que isso acontece? Sempre que a máquina realiza trabalho, uma parte da energia térmica recebida da fonte quente precisa ser rejeitada para uma fonte fria. Essa necessidade está ligada ao conceito de entropia, uma grandeza associada ao grau de desordem de um sistema e à dispersão da energia.

De acordo com a Segunda Lei, em qualquer processo natural a entropia do universo tende a aumentar. Para completar o ciclo e voltar ao estado inicial, a máquina precisa transferir calor à fonte fria, o que provoca aumento da entropia. Essa parcela de energia rejeitada não pode ser aproveitada como trabalho, e é justamente isso que limita o rendimento.

Analisando as alternativas:

• A) realizam trabalho mecânico: realizar trabalho é o objetivo da máquina, não a causa da limitação do rendimento.
• B) produzem aumento da entropia: correta. A impossibilidade de converter $100\%$ do calor em trabalho é consequência direta da Segunda Lei, segundo a qual a entropia do universo tende a aumentar, obrigando a rejeição de calor para a fonte fria.
• C) utilizam transformações adiabáticas: as transformações adiabáticas fazem parte de ciclos ideais como o de Carnot, mas não são a causa da limitação do rendimento.
• D) contrariam a lei da conservação de energia: as máquinas térmicas obedecem à Primeira Lei (conservação da energia). A energia total se conserva; a limitação é sobre a qualidade da energia que pode ser convertida.
• E) funcionam com temperatura igual à da fonte quente: a máquina precisa operar entre duas fontes de temperaturas diferentes para que haja fluxo de calor e realização de trabalho.

Portanto, a limitação do rendimento ocorre porque essas máquinas produzem aumento da entropia. A resposta é a alternativa B.