Questão 57 — ENEM 2015Caderno azul · 1º Dia

Ficha da Questão

• 📚 Matérias Necessárias: Física → Termodinâmica (Primeira Lei, trabalho, calor e mudança de fase)
• ⚡ Nível: Difícil — exige distinguir com precisão a etapa de armazenamento da etapa de recuperação de energia em um processo termodinâmico cíclico, o que costuma confundir o candidato.
• 🎯 Tema/Habilidade: Conservação e conversão de energia aplicadas a uma tecnologia real de armazenamento de energia elétrica (compreender fenômenos que envolvem transferência e transformação de energia)
• 🏆 Gabarito: C — revelado após a resolução completa

Passo 1 — Leitura Estratégica do Comando

• Comando reformulado: "Em qual etapa do processo descrito a energia elétrica excedente efetivamente fica 'guardada' dentro do sistema?"
• Palavras-chave decisivas: armazenado, liquefeito, volume 700 vezes menor
• Armadilha típica: confundir a etapa de ARMAZENAMENTO (liquefação, compressão) com a etapa de RECUPERAÇÃO (ebulição, expansão, giro das turbinas). Quem lê rápido marca a alternativa A ou B, porque elas descrevem a parte mais "visível" e intuitiva do processo — o nitrogênio fervendo e se expandindo —, mas isso é a devolução da energia, não o seu armazenamento.
• O que a resposta precisa demonstrar: identificar que transformar gás em líquido, reduzindo drasticamente seu volume, exige que um agente externo realize trabalho de compressão sobre o gás — e é justamente esse trabalho, pago com a energia elétrica excedente, que fica retido na forma de energia potencial do líquido comprimido.

Passo 2 — Mapa de Conceitos Essenciais

• Trabalho termodinâmico: grandeza associada à variação de volume de um gás sob ação de uma força/pressão externa. Quando um agente externo comprime um gás, ele realiza trabalho SOBRE o gás, transferindo energia para dentro do sistema.
• Primeira Lei da Termodinâmica: ΔU = Q + W (convenção em que W > 0 quando o trabalho é realizado sobre o sistema). Tanto calor quanto trabalho são formas de transferir energia; a energia "guardada" em um sistema pode entrar por qualquer um dos dois canais.
• Liquefação de gases: passagem do estado gasoso para o líquido por resfriamento e/ou compressão. Para o nitrogênio ocupar um volume 700 vezes menor, é necessário comprimi-lo intensamente, o que consome energia mecânica fornecida por compressores movidos a eletricidade.
• Armazenamento vs. recuperação de energia: em qualquer sistema de armazenamento (baterias, ar comprimido, nitrogênio líquido, hidrelétrica reversível) há sempre duas fases opostas — "carregar" (energia entra, trabalho é realizado sobre o sistema) e "descarregar" (energia sai, trabalho é realizado pelo sistema).

Passo 3 — Decodificação do Enunciado

• Evidência 1: "o nitrogênio gasoso é liquefeito, ocupando um volume 700 vezes menor" → essa redução brutal de volume não é espontânea: exige compressão mecânica intensa, isto é, trabalho realizado sobre o gás. É exatamente aí que a energia elétrica excedente é convertida e "guardada".
• Evidência 2: "a energia excedente do sistema elétrico é utilizada nesse processo, sendo parcialmente recuperada quando o nitrogênio líquido... entra em ebulição e se expande, fazendo girar turbinas" → o texto separa claramente duas etapas: a energia é USADA (gasta, armazenada) no processo de liquefação e depois RECUPERADA, apenas parcialmente, na ebulição/expansão. A pergunta foca justamente na primeira etapa.
• Síntese: o enunciado descreve um ciclo de armazenamento energético análogo ao de "comprimir uma mola": liquefazer o nitrogênio é o "carregamento" (consome trabalho, guarda energia); deixar o líquido ferver e expandir é o "descarregamento" (libera parte dessa energia como trabalho mecânico nas turbinas). A questão pede o mecanismo do carregamento.

Passo 4 — Resolução Completa (Passo a Passo)

Subpasso 4.1 — Identificar as duas fases do ciclo

O texto descreve um ciclo termodinâmico com duas etapas opostas: (1) armazenamento — remoção de água e CO₂ → resfriamento até -198 °C → liquefação do N₂ com redução de volume de 700 vezes; (2) recuperação — o nitrogênio líquido é exposto à temperatura ambiente, ferve, se expande e gira turbinas que geram eletricidade. A pergunta pede especificamente pela etapa 1: como a energia elétrica excedente é "armazenada".

Subpasso 4.2 — Relacionar liquefação com trabalho

Para o nitrogênio gasoso se tornar líquido e ocupar um volume 700 vezes menor, compressores movidos a eletricidade precisam empurrar as moléculas de gás, vencendo a pressão interna do próprio gás. Fisicamente, isso é a definição de trabalho realizado sobre um sistema (W sobre o gás > 0). Pela Primeira Lei da Termodinâmica (ΔU = Q + W), esse trabalho aumenta a energia interna do sistema durante a compressão — ainda que, simultaneamente, calor seja retirado do nitrogênio para resfriá-lo até a liquefação. É esse trabalho de compressão, pago com a energia elétrica excedente, que fica retido no nitrogênio líquido em forma de energia potencial, pronta para ser devolvida depois.

Subpasso 4.3 — Verificação com a etapa de recuperação

A leitura se confirma ao observar a segunda etapa: quando o nitrogênio líquido aquece e ferve, ele se expande e empurra as pás das turbinas, ou seja, ele REALIZA trabalho sobre o ambiente (não o recebe). Esse trabalho mecânico é o que as turbinas/geradores convertem em energia elétrica. Logo, a energia que sai (etapa de recuperação, alternativas A e B) só existe porque antes alguém "pagou" um trabalho de compressão para guardá-la (etapa de armazenamento, alternativa C). O próprio enunciado reforça isso ao dizer que a recuperação é apenas "parcial" — parte da energia investida na compressão se perde como calor liberado ao ambiente (alternativa E), e essa parte não é recuperável.

Passo 5 — Análise Crítica de Todas as Alternativas

A) expansão do nitrogênio durante a ebulição.

❌ Incorreta: a expansão durante a ebulição pertence à etapa de RECUPERAÇÃO da energia (quando o líquido volta a ser gás e gira as turbinas), não à etapa em que a energia excedente é guardada. É o processo inverso do armazenamento.

B) absorção de calor pelo nitrogênio durante a ebulição.

❌ Incorreta: assim como a alternativa A, descreve a fase de recuperação — o calor absorvido do ambiente durante a fervura fornece a energia para a expansão que move as turbinas, mas isso ocorre depois de a energia já ter sido armazenada, não durante o armazenamento.

C) realização de trabalho sobre o nitrogênio durante a liquefação.

✅ Correta: comprimir o nitrogênio gasoso até reduzir seu volume em 700 vezes e transformá-lo em líquido exige trabalho mecânico realizado sobre o gás pelos compressores, que consomem a energia elétrica excedente. Esse trabalho é precisamente a forma como a energia é convertida e retida no sistema, podendo ser parcialmente recuperada depois.

D) retirada de água e gás carbônico da atmosfera antes do resfriamento.

❌ Incorreta: essa etapa é apenas um pré-tratamento (purificação do ar), necessário para evitar que água e CO₂ congelem e obstruam o equipamento durante o resfriamento intenso. Não tem relação direta com o mecanismo de armazenamento de energia.

E) liberação de calor do nitrogênio para a vizinhança durante a liquefação.

❌ Incorreta: a liberação de calor durante o resfriamento/liquefação representa energia que se DISSIPA para o ambiente, ou seja, energia perdida, não armazenada. É esse calor liberado e não aproveitado que explica por que a recuperação final é apenas "parcial", como o próprio texto afirma.

🏆 Gabarito: C — a energia elétrica excedente é armazenada por meio do trabalho de compressão realizado sobre o nitrogênio gasoso durante sua liquefação, que reduz drasticamente seu volume e retém a energia investida até que o líquido seja liberado para girar as turbinas.

Passo 6 — Conclusão, Generalização e Dica de Prova

• Reafirmação do gabarito: apenas a alternativa C descreve a etapa em que energia é INSERIDA no sistema (trabalho sobre o gás durante a liquefação); todas as demais descrevem etapas de recuperação, perda ou pré-tratamento.
• Padrão de cobrança: o ENEM gosta de contextualizar a Primeira Lei da Termodinâmica com tecnologias reais de armazenamento energético (baterias, ar comprimido, hidrelétricas reversíveis, nitrogênio líquido), sempre testando se o aluno distingue a etapa de "carregar" da etapa de "descarregar" o sistema.
• Generalização: em qualquer processo cíclico de armazenamento de energia, ela entra no sistema por meio de trabalho realizado SOBRE ele (compressão, elevação, carregamento) e sai por meio de trabalho realizado PELO sistema (expansão, queda, descarga) — identifique sempre em qual das duas pontas do ciclo a pergunta está.
• Dica de eliminação rápida: repare que a última frase do texto quase sempre descreve a etapa de RECUPERAÇÃO ("...é parcialmente recuperada quando..."). Toda alternativa que reproduz o vocabulário dessa frase (ebulição, expansão, girar turbinas) descreve recuperação, não armazenamento — elimine-as de cara quando a pergunta for sobre "como a energia é armazenada".
• Conexões: compare com questões sobre usinas hidrelétricas reversíveis (bombeamento de água para o reservatório superior = armazenamento por trabalho contra a gravidade) e sobre compressão de gases em motores térmicos (ciclos termodinâmicos, como o de Carnot ou o Otto).