Questão 122 — ENEM 2023

Ficha da Questão

• Matérias necessárias: Termodinâmica (calor sensível, calor latente), mudanças de fase da água (vaporização, condensação), trocadores de calor (tacho com parede oca).
• Nível: Médio — exige rastrear as duas fases distintas do vapor na parede oca: (i) resfriamento de 120 °C para 100 °C (calor sensível do vapor) + (ii) condensação a 100 °C (calor latente de condensação).
• Tema/Habilidade BNCC: EM13CNT301 — analisar processos de transformação e conservação da energia, incluindo trocas de calor em processos industriais (concentração de alimentos).
• Gabarito oficial: D

Passo 1 — Leitura Estratégica do Comando

• Comando reformulado: "Na parede oca do tacho, o vapor a 120°C entra e sai como líquido a 100°C. Quais tipos de calor ele libera que são aproveitados para evaporar a água do doce?"
• Palavras-chave ancorais: "vapor de água a 120 °C" (entrada), "água líquida em equilíbrio com vapor a 100 °C" (saída), "vapor transforma-se em líquido", "libera energia", "resulta em evaporação".
• Armadilha antecipada: (i) achar que só há calor latente (esquecer que o vapor esfria 20°C antes de condensar → há calor sensível também); (ii) confundir "vaporização" (líquido → vapor) com "condensação" (vapor → líquido) — na parede oca acontece condensação; (iii) escolher uma alternativa que inclua "vaporização" como o que o vapor faz lá (ele NÃO vaporiza, ele condensa).
• Critério de acerto: a energia aproveitada vem de (i) calor sensível do resfriamento do vapor de 120 para 100°C + (ii) calor latente de condensação (vapor → líquido a 100°C).

Passo 2 — Mapa de Conceitos Essenciais

a) Tipos de calor:

• Calor sensível ($Q = m c \Delta T$): muda a temperatura sem mudar a fase.
• Calor latente ($Q = m L$): muda a fase sem mudar a temperatura (a T de transição).

b) Nomenclatura das mudanças de fase da água:

• Vaporização (líquido → vapor): absorve calor latente $L_v$.
• Condensação (vapor → líquido): libera calor latente $L_c$. Tem mesmo módulo que $L_v$ (≈ 540 cal/g ou 2260 kJ/kg a 100°C).
• Fusão (sólido → líquido) / Solidificação (líquido → sólido): $L_f$ ≈ 80 cal/g.

c) Trajetória energética do vapor na parede oca do tacho:

| Fase | O que acontece | Tipo de calor | Sentido |

|---|---|---|---|

| 120°C → 100°C (vapor) | Resfriamento do vapor | Calor sensível | Vapor libera |

| 100°C (vapor → líquido) | Condensação | Calor latente de condensação | Vapor libera |

| 100°C (líquido) | Sai da parede | — | — |

Os dois calores liberados pelo vapor são transferidos através da parede para o interior do tacho, onde vão aquecer e evaporar parte da água do leite/doce.

d) Do lado do doce (no interior do tacho): o calor recebido é usado para:

• Elevar a temperatura do produto até 100°C (calor sensível absorvido).
• Vaporizar parte da água do produto a 100°C (calor latente de vaporização absorvido pelo doce).

e) Observação importante:

A questão pergunta de onde vem a energia usada para concentrar o produto. A energia vem do vapor da parede, que libera calor sensível (120→100°C) + latente de condensação (100°C vapor→líquido). Essa energia é então usada para vaporizar a água do doce. Portanto, a resposta foca no que o vapor libera, não no que o doce absorve.

Passo 3 — Decodificação do Enunciado

• "vapor de água a 120 °C" entrada → vapor superaquecido (T > T_ebulição a 1 atm).
• "saída para água líquida em equilíbrio com vapor a 100 °C" → na saída, água já condensada a 100°C.
• "vapor transforma-se em líquido" → confirma condensação (não vaporização).
• "libera energia" → o vapor cede calor para a parede.
• "resulta na evaporação de água" → do lado de dentro do tacho, a água do doce evapora (absorve o calor que veio da parede).

A pergunta pede a energia proveniente (origem): os dois processos no vapor: sensível (resfriamento de 120 a 100) + latente de condensação (transformação em líquido a 100).

Passo 4 — Resolução Completa (Passo a Passo)

Subpasso 4.1 — Identificar as fases do vapor na parede oca.

• Entrada: vapor a 120 °C.
• Resfriamento de 120 a 100 °C: calor sensível do vapor.
• Condensação a 100 °C: calor latente de condensação.
• Saída: líquido a 100 °C.

Subpasso 4.2 — Quantificar qualitativamente as duas contribuições.

• $Q_{\text{sensível}} = m c_{\text{vapor}} \Delta T = m \cdot 0{,}5 \cdot 20 = 10 m$ cal (ordens: ~10 cal/g) — relativamente pequena.
• $Q_{\text{latente}} = m L_c = m \cdot 540$ cal (540 cal/g) — parcela dominante.

Ainda que o calor sensível seja minoritário, ele existe e também é aproveitado na parede do tacho. A alternativa correta deve incluir ambos.

Subpasso 4.3 — Eliminar alternativas com termos errados.

• Alternativas que mencionam "calor latente de vaporização" no papel do vapor da parede estão erradas — o vapor na parede não vaporiza, ele condensa. Vaporização é o que acontece do lado do doce, não do vapor.

Subpasso 4.4 — Selecionar a alternativa correta.

Calor sensível + calor latente de condensação = alternativa D.

Passo 5 — Análise Crítica de Todas as Alternativas

A) somente do calor latente de vaporização. ❌ Incorreta. (i) O vapor na parede condensa, não vaporiza — vaporização é o que ocorre no doce. (ii) Ignora o calor sensível dos 20°C de resfriamento do vapor (120→100).

B) somente do calor latente de condensação. ❌ Incorreta. Ignora o calor sensível (20°C de resfriamento do vapor superaquecido). A energia total liberada pelo vapor inclui sensível + latente, não só o latente.

C) do calor sensível e do calor latente de vaporização. ❌ Incorreta. Erro comum: trocar "condensação" por "vaporização". Na parede oca o vapor não vaporiza (já está vapor; ele vira líquido, isso é condensação).

D) do calor sensível e do calor latente de condensação. ✅ Correta. O vapor superaquecido libera: (i) calor sensível ao resfriar de 120°C para 100°C, (ii) calor latente de condensação ao passar de vapor para líquido a 100°C. Essa energia é transferida ao doce, que absorve e evapora sua própria água (latente de vaporização, mas agora do lado do doce).

E) do calor latente de condensação e do calor latente de vaporização. ❌ Incorreta. Mistura termos do lado errado. Condensação é o que o vapor da parede faz (correto), mas "latente de vaporização" seria do doce (não do vapor da parede). A questão pede a energia proveniente do vapor (parede), não a energia absorvida pelo doce.

Passo 6 — Conclusão, Generalização e Dica de Prova

• Reafirmação: Alternativa D — a energia que concentra o doce vem de (i) calor sensível (vapor resfriando de 120 para 100°C) + (ii) calor latente de condensação (vapor a 100°C virando líquido a 100°C) dentro da parede oca do tacho.
• Padrão de cobrança ENEM: trocadores de calor industriais (tachos, caldeiras, aquecedores a vapor) aparecem com frequência. O truque é separar as etapas térmicas do vapor: resfriamento (sensível) + mudança de fase (latente).
• Generalização: toda vez que o vapor muda de temperatura e muda de fase em série, a energia total é a soma dos dois calores. Regra: "antes de condensar, o vapor pode esfriar; antes de fundir, o líquido pode esfriar" — sempre somar parcelas sensíveis com latentes.
• Dica de eliminação: atenção aos termos vaporização vs condensação. No vapor → líquido: condensação. No líquido → vapor: vaporização. Em trocadores, o vapor da serpentina sempre condensa; o fluido do tacho pode evaporar.
• Conexões: aplicação em usinas termelétricas (condensador do ciclo de Rankine), destilarias (refluxo), torres de resfriamento, autoclaves, fabricação de açúcar (tachos a vácuo) e indústria de laticínios (concentração de leite).