Questão 133 — ENEM 2020 Digital

Ficha da Questão

• 📚 Matérias Necessárias: Física → Termodinâmica (calor latente e mudanças de fase)
• ⚡ Nível: Médio — a ideia física é simples, mas o enunciado embute uma pegadinha conceitual clássica (confundir "expansão livre" com "vaporização com troca de calor")
• 🎯 Tema/Habilidade: Calor latente de vaporização aplicado a um processo industrial; competência de relacionar fenômenos térmicos a transformações e conservações de energia (C6/H21 da Matriz do ENEM)
• 🏆 Gabarito: E — revelado após resolução completa

Passo 1 — Leitura Estratégica do Comando

• Comando reformulado: "Qual processo termodinâmico explica a queda súbita de temperatura do leite quando a pressão sobre ele é reduzida rapidamente?"
• Palavras-chave decisivas: pressão reduzida subitamente, parte da água vaporize, temperatura diminua
• Armadilha típica: associar a queda de temperatura à expansão do vapor já formado (como se fosse um gás se expandindo e esfriando sozinho), em vez de perceber que o resfriamento vem da energia que é retirada do leite líquido para permitir que a água mude de fase.
• O que a resposta precisa demonstrar: que o mecanismo é a transferência de calor (energia térmica) do leite para as moléculas de água que escapam para a fase vapor — ou seja, o consumo do calor latente de vaporização.

Passo 2 — Mapa de Conceitos Essenciais

• Calor latente de vaporização (L_v): quantidade de energia térmica que uma substância precisa absorver para passar de líquido a vapor, sem que sua temperatura mude durante a transição (Q = m·L_v). É energia "escondida" na mudança de estado, não no aumento de temperatura.
• Relação entre pressão e ponto de ebulição: quanto maior a pressão exercida sobre um líquido, maior a temperatura necessária para ele ferver; quanto menor a pressão, menor essa temperatura. É por isso que, em alta pressão, o leite chega a 135 °C sem ferver.
• Ebulição instantânea (flash evaporation): quando a pressão despenca de repente, o novo ponto de ebulição da água cai bem abaixo da temperatura em que o leite se encontra. O líquido fica "superaquecido" em relação à nova pressão e uma fração da água vaporiza quase instantaneamente.
• Expansão livre (processo de Joule): é um processo bem definido em termodinâmica — um gás que já existe se expande para o vácuo, sem realizar trabalho e sem trocar calor com a vizinhança; para um gás ideal, isso não altera a temperatura. É diferente de uma mudança de fase líquido→vapor, que exige, sim, absorção de calor latente.

Passo 3 — Decodificação do Enunciado

• Evidência 1: "Para alcançar essa temperatura sem que a água que o compõe vaporize, o leite é aquecido em alta pressão." → confirma que a alta pressão eleva o ponto de ebulição da água acima de 135 °C, mantendo o leite líquido mesmo em temperatura elevada.
• Evidência 2: "a pressão é reduzida subitamente, de modo que parte da água vaporize e a temperatura diminua" → o próprio enunciado já entrega a relação de causa e efeito: queda de pressão → vaporização parcial da água → queda de temperatura.
• Síntese: A questão não pede que o aluno "descubra" o fenômeno — ela pede que ele reconheça, entre as alternativas, a descrição fisicamente correta desse fenômeno: a vaporização retira calor latente do leite, resfriando-o.

Passo 4 — Resolução Completa (Passo a Passo)

Subpasso 4.1 — Por que a alta pressão impede a fervura a 135 °C

Em condições normais (1 atm), a água ferve a 100 °C. Se a pressão sobre o leite aumenta bastante, o ponto de ebulição da água nele contida sobe proporcionalmente, podendo ultrapassar 135 °C. É esse artifício que permite esterilizar o leite nessa temperatura sem que ele "cozinhe" ou perca as propriedades sensoriais: não há formação de bolhas de vapor, apenas leite líquido muito quente.

Subpasso 4.2 — O que acontece quando a pressão cai de repente

Ao reduzir a pressão subitamente, o ponto de ebulição da água despenca (pode cair para próximo de 100 °C ou menos). O leite, porém, continua a 135 °C — muito acima do novo ponto de ebulição. Ele fica termodinamicamente "superaquecido" em relação à nova pressão, e uma fração da água presente vaporiza quase instantaneamente (fenômeno conhecido como flash evaporation).

Subpasso 4.3 — De onde vem a energia para essa vaporização

Vaporizar água exige energia: o calor latente de vaporização (L_v). Como o processo é muito rápido, essa energia não vem de uma fonte externa — ela é retirada do próprio leite, isto é, das moléculas de água que permanecem líquidas transferem energia térmica para as moléculas que escapam para a fase vapor. Ao perderem essa energia, as moléculas do leite restante passam a ter menor energia cinética média, o que se traduz macroscopicamente em queda de temperatura. É exatamente a mesma lógica do suor esfriando a pele ao evaporar.

Subpasso 4.4 — Verificação

Comparando com as alternativas: a única que descreve corretamente esse mecanismo — transferência de energia térmica ocorrendo durante a vaporização da água do leite — é a alternativa E. As demais descrevem fenômenos térmicos reais (convecção, radiação, expansão de gases, reação química), mas nenhum deles é o que efetivamente resfria o leite nesse processo.

Passo 5 — Análise Crítica de Todas as Alternativas

A) convecção induzida pelo movimento de bolhas de vapor de água.

❌ Incorreta: convecção é a transferência de calor por movimento de massa de um fluido (correntes de fluido mais quente sobem, mais frio desce). O deslocamento de bolhas de vapor até poderia ocorrer como efeito secundário, mas não é o processo termodinâmico responsável pela queda de temperatura — o resfriamento tem origem na mudança de fase, não no transporte de massa do fluido.

B) emissão de radiação térmica durante a liberação de vapor de água.

❌ Incorreta: radiação térmica é a emissão de ondas eletromagnéticas por um corpo devido à sua temperatura (Lei de Stefan-Boltzmann), um processo lento e com efeito desprezível na escala de tempo do resfriamento do leite (segundos). Além disso, radiação não depende de mudança de fase, então não explica por que a vaporização especificamente causa o resfriamento.

C) expansão livre do vapor de água liberado pelo leite no resfriamento.

❌ Incorreta: esta é a alternativa mais tentadora. "Expansão livre" é um processo termodinâmico específico (expansão de Joule), no qual um gás já existente se expande contra o vácuo, sem realizar trabalho e sem trocar calor — para um gás ideal, isso nem sequer altera a temperatura. O fenômeno descrito no texto não é a expansão do vapor já formado, e sim a transição de fase líquido→vapor, que exige absorção de calor latente. É a retirada desse calor do leite líquido — não a expansão do gás resultante — que provoca o resfriamento.

D) conversão de energia térmica em energia química pelas moléculas orgânicas.

❌ Incorreta: não há nenhuma reação química envolvida nesse resfriamento — é um processo puramente físico de mudança de estado da água. Não existe conversão de energia térmica em energia química das moléculas orgânicas do leite nesse contexto.

E) transferência de energia térmica durante a vaporização da água presente no leite.

✅ Correta: descreve exatamente o mecanismo físico envolvido. A queda súbita de pressão faz parte da água do leite vaporizar; como vaporizar exige calor latente, essa energia é retirada do leite líquido remanescente, reduzindo sua temperatura. É a transferência de energia térmica (do leite para a água que muda de fase) que explica o resfriamento.

🏆 Gabarito: E — o resfriamento súbito do leite ocorre porque a vaporização de parte da água, causada pela queda de pressão, consome calor latente retirado do próprio leite, e não por convecção, radiação, expansão livre de gás ou reação química.

Passo 6 — Conclusão, Generalização e Dica de Prova

• Reafirmação do gabarito: somente a alternativa E identifica corretamente que a energia térmica é transferida do leite para a água durante sua vaporização — mecanismo que o próprio enunciado descreve na frase final.
• Padrão de cobrança: o ENEM costuma explorar calor latente e mudança de estado em contextos tecnológicos ou cotidianos — panela de pressão, geladeira, ar-condicionado, garrafa térmica, transpiração humana — sempre pedindo que o aluno identifique a troca de calor "escondida" na mudança de fase.
• Generalização: sempre que um líquido evapora e isso resfria o sistema (suor, refrigeração, este caso do leite), pense em "calor latente de vaporização sendo retirado do líquido restante" — nunca em convecção, radiação ou reação química.
• Dica de eliminação rápida: elimine de cara alternativas com "radiação térmica" e "conversão em energia química" em questões de mudança de fase — quase nunca explicam resfriamento por evaporação. Desconfie também de "expansão livre": é um termo técnico específico (gás se expandindo no vácuo, sem calor nem trabalho) que não descreve uma transição de fase líquido-vapor com absorção de calor latente.
• Conexões: o mesmo princípio explica por que suar refresca o corpo humano e por que geladeiras e ar-condicionados usam a vaporização de um fluido refrigerante para retirar calor do ambiente interno.