Questão 110 do ENEM 2020 — Ciências da Natureza

Para entender por que a expansão adiabática causa o resfriamento do gás, precisamos analisar o processo à luz da Primeira Lei da Termodinâmica. Essa lei é um princípio de conservação de energia e pode ser expressa pela equação:

$\Delta U = Q - W$

Onde:

• $\Delta U$ é a variação da energia interna do gás;
• $Q$ é o calor trocado entre o gás e o meio ambiente;
• $W$ é o trabalho realizado pelo gás.

O enunciado nos diz que o processo é uma expansão adiabática. A palavra "adiabática" significa que o processo ocorre sem que haja troca de calor com o ambiente. Portanto, temos que $Q = 0$. Substituindo isso na equação da Primeira Lei, obtemos:

$\Delta U = 0 - W \implies \Delta U = -W$

Isso nos mostra que, em uma transformação adiabática, a variação da energia interna está diretamente associada ao trabalho realizado.

Como o processo é uma expansão, o volume do gás está aumentando. Quando um gás se expande, ele realiza trabalho sobre o meio exterior, o que significa que o trabalho é positivo ($W > 0$).

Se o trabalho $W$ é positivo, a equação $\Delta U = -W$ nos diz que a variação da energia interna $\Delta U$ será negativa ($\Delta U < 0$). Ou seja, a energia interna do gás diminui. Como a energia interna de um gás está diretamente relacionada à sua temperatura, uma diminuição na energia interna resulta em uma diminuição da temperatura.

Em resumo: o gás gasta sua própria energia interna para realizar o trabalho de expansão, já que não pode receber calor do ambiente para compensar esse gasto. É por isso que ele esfria.

Analisando as alternativas:

• A e B estão incorretas porque falam em "entrada" ou "saída" de calor, mas em um processo adiabático não há troca de calor ($Q = 0$).
• C e D estão incorretas porque afirmam que a variação da energia interna é nula. Se fosse nula, a temperatura não mudaria (seria um processo isotérmico).
• E está correta, pois afirma exatamente o que deduzimos: não há troca de calor com o ambiente e o trabalho realizado está diretamente associado à variação da energia interna ($\Delta U = -W$).