Questão 130 do ENEM 2024 — Ciências da Natureza

O segredo desta questão está em traduzir o que o enunciado chama de "energia útil" para a linguagem da termodinâmica. Em um motor de combustão interna, o objetivo é gerar movimento: a energia útil é o trabalho mecânico ($W$) que o gás realiza ao empurrar o pistão.

Onde há trabalho em um processo P-V

Num diagrama de Pressão por Volume, o trabalho realizado pelo gás está associado à variação de volume ($\Delta V$):

• Se o gás expande ($\Delta V > 0$), ele realiza trabalho sobre o meio — é assim que o motor entrega energia útil.
• Se o gás é comprimido ($\Delta V < 0$), o trabalho é feito sobre o gás — o motor gasta energia.
• Se o volume é constante ($\Delta V = 0$), não há trabalho realizado.

Analisando cada etapa pelo quadro

Usando as descrições fornecidas no quadro de etapas do enunciado:

• Etapa II ($1 \rightarrow 2$): compressão adiabática. O volume diminui. O trabalho é realizado sobre o gás (o motor comprime a mistura), então não é energia útil.
• Etapa III ($2 \rightarrow 3$): introdução de calor da combustão. A combustão ocorre com o volume mantido constante (processo isocórico). Como $\Delta V = 0$, o trabalho é nulo: aqui a energia térmica apenas eleva pressão e temperatura, sem ainda mover o pistão. Essa é a principal "pegadinha": o calor entra na etapa III, mas ainda não virou movimento.
• Etapa IV ($3 \rightarrow 4$): expansão adiabática. É aqui que a alta pressão gerada pela combustão empurra o pistão e o gás se expande ($\Delta V > 0$). Nesse momento a energia térmica interna é convertida em trabalho mecânico — a energia útil do motor.
• Etapas V e VI: correspondem à rejeição de calor e à expulsão dos gases queimados (exaustão). São perdas necessárias pela Segunda Lei da Termodinâmica, não geração de energia útil.

Conclusão

A transformação de energia térmica em energia útil (trabalho mecânico) acontece justamente na expansão do gás, descrita na etapa IV.

Portanto, a resposta correta é a alternativa C (etapa IV).