Questão 99 — ENEM 2020 PPLCaderno azul · 2º Dia

Ficha da Questão

• 📚 Matérias Necessárias: Física → Termologia (mudanças de fase e calor latente)
• ⚡ Nível: Médio — exige interpretar corretamente o sentido das setas do diagrama e associar cada uma a um processo endotérmico ou exotérmico específico
• 🎯 Tema/Habilidade: Calor latente e reversibilidade das transições de fase (competência de área 5 — compreender fenômenos térmicos e suas transformações de energia)
• 🏆 Gabarito: E — revelado após resolução completa

Passo 1 — Leitura Estratégica do Comando

• Comando reformulado: "Identifique, dentre as quatro setas do diagrama, qual transição libera exatamente a mesma quantidade de energia que a etapa 2 absorve."
• Palavras-chave decisivas: absorvida, etapa 2, igual
• Armadilha típica: confundir "igual em módulo" com "mesma etapa" ou associar a etapa 2 a um processo de liberação de energia por não observar com atenção o sentido da seta no diagrama.
• O que a resposta precisa demonstrar: que o estudante reconhece qual mudança de estado a etapa 2 representa, se ela é endotérmica ou exotérmica, e qual outra etapa do ciclo envolve a mesma transição de fase (mesma substância, mesmas condições de pressão), porém no sentido inverso.

Passo 2 — Mapa de Conceitos Essenciais

• Mudanças de fase da água: a água pode se apresentar nos estados sólido (gelo), líquido (água líquida) e gasoso (vapor). A passagem entre esses estados ocorre em temperatura constante (à pressão fixa), com troca de energia térmica sem variação de temperatura durante a transição.
• Calor latente: é a quantidade de energia (por unidade de massa) necessária para que uma substância mude de fase sem alterar sua temperatura. Cada transição direta (por exemplo, fusão) tem um calor latente numericamente igual ao da transição inversa (solidificação), pois ambas envolvem a mesma reorganização molecular, apenas em sentidos opostos.
• Processos endotérmicos x exotérmicos: fusão (sólido→líquido) e vaporização (líquido→vapor) absorvem energia do ambiente para quebrar ligações intermoleculares. Solidificação (líquido→sólido) e condensação (vapor→líquido) liberam energia para o ambiente, pois as moléculas se organizam e se aproximam, reduzindo sua energia interna.
• Reversibilidade energética: como a variação de energia interna entre dois estados físicos depende apenas dos estados inicial e final (função de estado), a energia liberada ao ir de A para B é exatamente igual, em módulo, à energia absorvida ao ir de B para A, desde que a pressão externa seja a mesma nos dois processos — condição explicitamente dada no enunciado.

Passo 3 — Decodificação do Enunciado

• Evidência 1: "A água sofre transições de fase sem que ocorra variação da pressão externa" → garante que o calor latente de cada transição é o mesmo, em módulo, na ida e na volta, permitindo comparar diretamente as setas opostas de cada par.
• Evidência 2 (figura): o diagrama mostra três caixas — "Vapor de água", "Água líquida" e "Gelo" — ligadas por setas numeradas. Entre vapor e água líquida: a seta 1 aponta de vapor para líquido (condensação) e a seta 2 aponta de líquido para vapor (vaporização). Entre água líquida e gelo: a seta 3 aponta de líquido para gelo (solidificação) e a seta 4 aponta de gelo para líquido (fusão) → cada par de setas (1↔2 e 3↔4) representa a mesma transição de fase em sentidos opostos.
• Síntese: a etapa 2 é a vaporização (absorve energia); o par oposto dela no mesmo diagrama, envolvendo a mesma substância e o mesmo par de estados, é a etapa 1 — a condensação, que libera energia. Como a pressão externa não varia, a energia absorvida em 2 é igual, em módulo, à energia liberada em 1.

Passo 4 — Resolução Completa (Passo a Passo)

Subpasso 4.1 — Identificar o processo representado pela etapa 2

Observando a figura, a seta 2 liga a caixa "Água líquida" de volta à caixa "Vapor de água", ou seja, representa a passagem de líquido para vapor. Essa transição é a vaporização, um processo endotérmico: a água precisa absorver energia (calor latente de vaporização, Lv ≈ 540 cal/g ou ≈ 2260 J/g) para que as moléculas rompam as forças de coesão do estado líquido e se dispersem como gás.

Subpasso 4.2 — Localizar a transição inversa correspondente

No diagrama, a seta 1 liga "Vapor de água" a "Água líquida", no sentido contrário à seta 2. Esse processo é a condensação (vapor → líquido), que é exotérmico: o vapor libera exatamente a mesma quantidade de energia por grama que havia sido absorvida na vaporização, pois trata-se do mesmo par de estados físicos, apenas percorrido em sentido oposto.

Como o enunciado fixa que não há variação de pressão externa, o calor latente de vaporização (etapa 2) e o calor latente de condensação (etapa 1) têm o mesmo valor numérico — só o sinal (absorção ou liberação) muda. Matematicamente:

Q(absorvido, etapa 2) = |Lv| × m = |Lv| × m = Q(liberado, etapa 1)

Subpasso 4.3 — Verificação

As etapas 3 e 4 (solidificação e fusão) tratam de um par de estados diferente — água líquida e gelo — logo seus calores latentes (de fusão/solidificação) têm valor absoluto distinto do calor latente de vaporização (Lfusão ≈ 80 cal/g ≠ Lvaporização ≈ 540 cal/g). Portanto, nenhuma delas pode ser numericamente igual à energia absorvida na etapa 2. Isso confirma que a única etapa compatível é a 1, fechando o raciocínio com a alternativa E.

Passo 5 — Análise Crítica de Todas as Alternativas

A) liberada na etapa 4.

❌ Incorreta: a etapa 4 é a fusão do gelo (gelo → água líquida), que é um processo de absorção de energia, não de liberação. Além disso, o calor latente de fusão é numericamente diferente do calor latente de vaporização, então mesmo que fosse liberação, os valores não coincidiriam.

B) absorvida na etapa 3.

❌ Incorreta: a etapa 3 é a solidificação (água líquida → gelo), que libera energia, não absorve. A alternativa erra tanto no sinal do processo quanto no par de estados envolvido (fusão/solidificação tem calor latente diferente do de vaporização/condensação).

C) liberada na etapa 3.

❌ Incorreta: embora a etapa 3 (solidificação) de fato libere energia, seu valor absoluto corresponde ao calor latente de solidificação (~80 cal/g), completamente diferente do calor latente de vaporização (~540 cal/g) envolvido na etapa 2. Os módulos de energia não são iguais.

D) absorvida na etapa 1.

❌ Incorreta: a etapa 1 é a condensação (vapor → água líquida), que é um processo exotérmico — a energia é liberada, e não absorvida, nessa etapa. O erro está em inverter o sinal do processo.

E) liberada na etapa 1.

✅ Correta: a etapa 1 (condensação) é o processo inverso exato da etapa 2 (vaporização), envolvendo o mesmo par de estados físicos (líquido ↔ vapor) sob a mesma pressão externa constante. Por isso, a energia liberada na condensação (etapa 1) é numericamente igual à energia absorvida na vaporização (etapa 2).

🏆 Gabarito: E — a energia absorvida na vaporização (etapa 2) é igual, em módulo, à energia liberada na condensação (etapa 1), pois ambas representam a mesma transição de fase (líquido ↔ vapor) em sentidos opostos e sob a mesma pressão.

Passo 6 — Conclusão, Generalização e Dica de Prova

• Reafirmação do gabarito: apenas a etapa 1 compartilha com a etapa 2 o mesmo par de estados físicos (líquido e vapor), garantindo que os módulos de energia envolvidos sejam idênticos; as etapas 3 e 4 pertencem a outro par de estados (líquido e sólido), com calor latente distinto.
• Padrão de cobrança: o ENEM costuma explorar diagramas de mudança de fase pedindo que o estudante reconheça pares de processos opostos (fusão/solidificação, vaporização/condensação, sublimação/ressublimação) e compare os calores latentes envolvidos, sem exigir cálculo numérico direto.
• Generalização: em qualquer ciclo fechado de mudanças de fase sob pressão constante, a energia absorvida numa transição direta é sempre igual, em módulo, à energia liberada na transição inversa correspondente — mas nunca igual à energia de uma transição envolvendo um par de estados diferente.
• Dica de eliminação rápida: primeiro identifique o par de estados da etapa citada no comando (aqui, líquido-vapor); descarte de imediato qualquer alternativa que mencione etapas de outro par de estados (aqui, as que envolvem gelo — etapas 3 e 4). Isso já elimina três alternativas (A, B, C) em segundos.
• Conexões: o tema se conecta a "curvas de aquecimento e resfriamento" (gráfico temperatura x tempo com patamares de mudança de fase) e a "calorimetria" (cálculo de Q = m·c·ΔT e Q = m·L), assuntos que costumam aparecer combinados em outras questões de Física do ENEM.