Um gás se encontra em um recipiente fechado que possui uma tampa móvel. Ao ser submetido a uma chama, o gás recebe 450J de calor e, consequentemente, desloca a tampa em 15 cm. A força exercida pelo gás na tampa tem módulo igual a:

A alternativa correta é letra C) 3.000 N.

Nesse processo termodinâmico, a lei de conservação da energia assume a forma da primeira lei da termodinâmica dada pela seguinte equação:

Delta E_{int} = Q-W

Onde,

E_{int} é a energia interna do material

Q é a energia trocada com o ambiente, na forma de calor; Q é positivo, se o sistema absorve calor, e negativo, se o sistema cede calor

W é a energia trocada com o ambiente na forma de trabalho; W é positivo, se o sistema realiza trabalho sobre o ambiente, e negativo, se o ambiente realiza trabalho sobre o sistema.

Em alguns casos especiais, temos as seguinte aplicações da primeira lei da termodinâmica:

• processos adiabáticos: Q = 0, Delta E_{int} = –W
• processos a volume constante: W = 0, Delta E_{int} = Q
• processos cíclicos: Delta E_{int} = 0, Q = W
• expansões livres: Q = W, Delta E_{int} = 0

No caso do enunciado, temos uma expansão livre, na qual o calor transferido ao gás se transforma em trabalho, movendo a tampa. Logo,

Delta E_{int} = Q-W

0 = 450 - W

W = 450 J

Lembrando que trabalho é o produto entre a força e o deslocamento (tau = F cdot Delta S), temos

tau = W

F cdot Delta S = 450

F cdot 0,15 = 450

F = 3.000 N

Portanto, a alternativa correta é a letra (c).