Questão 102 — ENEM 2019 PPLCaderno azul · 2º Dia

Ficha da Questão

• 📚 Matérias Necessárias: Física → Termologia (convecção térmica e densidade dos fluidos)
• ⚡ Nível: Médio — exige interpretar a figura e aplicar o conceito de correntes de convecção a uma situação prática, sem nenhum cálculo numérico.
• 🎯 Tema/Habilidade: Convecção térmica e estratificação de fluidos por densidade — aplicar conhecimentos de Física a uma situação tecnológica do cotidiano (aquecimento de água em reservatórios).
• 🏆 Gabarito: D — revelado após resolução completa

Passo 1 — Leitura Estratégica do Comando

• Comando reformulado: "Entre as posições numeradas na figura, qual par (entrada de água fria / saída de água quente) torna o aquecimento mais eficiente, com menor consumo de energia?"
• Palavras-chave decisivas: melhor eficiência, aquecida na base, menor consumo energético
• Armadilha típica: achar que qualquer combinação de entrada e saída "funciona igual", já que a água acaba circulando pelo reservatório de qualquer forma — ignorando que a posição do aquecedor na base cria uma estratificação térmica vertical que pode ser aproveitada ou desperdiçada.
• O que a resposta precisa demonstrar: entendimento de que fluidos aquecidos ficam menos densos e sobem, enquanto fluidos frios, mais densos, permanecem embaixo — e que posicionar entrada e saída de acordo com esse movimento natural (convecção) evita gasto extra de energia.

Passo 2 — Mapa de Conceitos Essenciais

• Convecção térmica: transferência de calor por deslocamento de massas de um fluido; a porção aquecida se dilata, fica menos densa e sobe, enquanto a porção fria, mais densa, desce — formando as correntes de convecção.
• Densidade e temperatura: ao ser aquecida, a água sofre dilatação térmica e sua densidade diminui; por isso a água quente ocupa preferencialmente as camadas superiores do reservatório, e a água fria, as camadas inferiores.
• Estratificação térmica: em um reservatório em repouso, a diferença de densidade organiza a água em camadas — quente em cima, fria embaixo. Preservar essa organização (em vez de misturá-la) é o que garante eficiência energética.
• Papel da posição do aquecedor: o elemento aquecedor fica na base do tanque; portanto, quanto mais próxima da base a água fria entrar, mais rápido e com menos perdas ela é aquecida.

Passo 3 — Decodificação do Enunciado

• Evidência 1: "aquecida na base do reservatório" → o elemento aquecedor está na parte inferior do tanque; a água que entra próxima dali recebe calor de forma mais direta e imediata.
• Evidência 2: "melhor eficiência de aquecimento com menor consumo energético" → o critério não é apenas "aquecer", mas economizar energia — o que aponta para aproveitar o movimento espontâneo da convecção, sem forçar mistura ou percursos desnecessários da água.
• Síntese: a figura mostra três entradas (1, 2, 3 — do topo até a base) e três saídas (4, 5, 6 — do topo até a base). A física do problema indica que a água fria deve entrar o mais perto possível do aquecedor (posição inferior, 3), e a água quente deve ser retirada de onde ela naturalmente se acumula por convecção (posição superior, 4).

Passo 4 — Resolução Completa (Passo a Passo)

Subpasso 4.1 — O caminho ideal da água fria

A água fria que entra no reservatório é mais densa do que a água já aquecida. Se ela entrasse por uma posição alta (1) ou intermediária (2), afundaria através das camadas superiores — que já estão quentes —, resfriando parte da água pronta para uso e obrigando o sistema a gastar energia extra para reaquecê-la. Ao entrar diretamente pela posição 3 (a mais baixa, junto ao elemento aquecedor), a água fria chega exatamente onde o calor é fornecido, começando a ser aquecida de imediato e sem perturbar as camadas já quentes acima dela.

Subpasso 4.2 — O caminho ideal da água quente

À medida que a água na base absorve calor, ela se dilata, fica menos densa e sobe, formando uma corrente de convecção ascendente. Com isso, a camada mais quente do reservatório tende a se concentrar no topo. Caso a saída de água quente fosse pela base (6) ou pelo meio (5), o sistema retiraria água ainda não totalmente aquecida — ou já misturada com porções mais frias —, o que reduziria a temperatura entregue à torneira e exigiria mais energia para compensar. Retirando a água pela posição 4 (topo), o sistema aproveita justamente a camada que a convecção já elevou à maior temperatura disponível.

Subpasso 4.3 — Verificação com as alternativas

Comparando o raciocínio com as opções: apenas a combinação "entrada na base (3) + saída no topo (4)" aproveita integralmente o fenômeno da convecção, sem desperdiçar energia misturando água fria com água já quente ou retirando água que não atingiu a temperatura máxima. Isso corresponde exatamente à alternativa D.

Passo 5 — Análise Crítica de Todas as Alternativas

A) 1 e 4.

❌ Incorreta: a entrada de água fria pela posição 1 (topo) faz a água fria, mais densa, afundar através da camada já quente antes de alcançar o aquecedor na base — resfriando parte da água que já estava pronta e aumentando o consumo de energia para reaquecê-la.

B) 1 e 6.

❌ Incorreta: reúne os dois piores pontos possíveis — entrada de água fria pelo topo (que esfria a camada já aquecida ao afundar) e saída de água quente pela base (de onde sai água ainda fria, recém-chegada, que não teve tempo de subir e se aquecer por convecção).

C) 2 e 5.

❌ Incorreta: entrada e saída no meio do reservatório não aproveitam a estratificação térmica — a água fria ainda precisa percorrer distância até o aquecedor na base, e a água retirada na posição intermediária não corresponde à camada mais quente, que se concentra no topo.

D) 3 e 4.

✅ Correta: a entrada de água fria na base (posição 3) a coloca exatamente junto ao elemento aquecedor, sendo aquecida de imediato; a saída pelo topo (posição 4) capta a água que, por convecção, já subiu por estar menos densa e mais quente. Essa configuração aproveita o movimento natural do fluido, sem exigir energia extra para misturar ou forçar a circulação da água.

E) 3 e 5.

❌ Incorreta: a entrada em 3 está correta, mas a saída no meio (posição 5) não coleta a camada mais quente, que se concentra no topo — a água retirada sairia com temperatura inferior à máxima disponível, exigindo energia adicional para compensar.

🏆 Gabarito: D — a configuração "entrada em 3, saída em 4" é a única que explora corretamente a convecção térmica: a água fria entra junto ao aquecedor, na base, e a água quente sai do topo, onde a menor densidade faz com que ela naturalmente se acumule.

Passo 6 — Conclusão, Generalização e Dica de Prova

• Reafirmação do gabarito: apenas a letra D une o ponto de entrada mais próximo do elemento aquecedor (base) ao ponto de saída onde a água quente naturalmente se concentra (topo), sendo a única combinação energeticamente eficiente.
• Padrão de cobrança: o ENEM costuma trazer situações do cotidiano — chuveiros elétricos, aquecedores solares, sistemas de aquecimento central, geladeiras — para verificar se o estudante entende convecção e a relação entre densidade e temperatura, geralmente sem exigir cálculos.
• Generalização: em qualquer sistema aquecido por baixo, o fluido frio deve entrar perto da fonte de calor, e o fluido quente deve ser retirado de cima — porque quente sobe e frio desce, por diferença de densidade.
• Dica de eliminação rápida: localize o elemento aquecedor na figura; descarte de imediato qualquer alternativa em que a entrada de água fria não seja a posição mais próxima dele (a mais baixa) e qualquer saída de água quente que não seja a mais distante (a mais alta) — isso já elimina A, B, C e E em poucos segundos.
• Conexões: o mesmo raciocínio explica o funcionamento de aquecedores solares de água, geladeiras e freezers (troca de calor por convecção) e até correntes de convecção atmosférica e oceânica.