Questão 124 — ENEM 2024 PPLCaderno azul · 2º Dia

Ficha da Questão

• 📚 Matérias Necessárias: Física → Termologia (transferência de calor por radiação e emissividade)
• ⚡ Nível: Fácil — exige apenas relacionar cor/textura da superfície com capacidade de emissão de radiação térmica, sem cálculos
• 🎯 Tema/Habilidade: Radiação térmica e emissividade das superfícies — compreender processos de transferência de energia térmica e suas aplicações tecnológicas e cotidianas
• 🏆 Gabarito: D — revelado após resolução completa

Passo 1 — Leitura Estratégica do Comando

• Comando reformulado: "Comparando dois copos metálicos idênticos com água quente — um pintado de preto e outro espelhado — qual acontece com a temperatura da água de cada um após alguns minutos?"
• Palavras-chave decisivas: superfície pintada de preto, superfície espelhada, bons emissores são também bons absorvedores
• Armadilha típica: achar que, por ser espelhado, o copo 2 "não perde calor nenhum" e por isso sua temperatura "permanece a mesma" (alternativas B e C) — na verdade ele também esfria, só que mais devagar, porque toda superfície emite alguma radiação.
• O que a resposta precisa demonstrar: que a diferença entre os copos é de velocidade de resfriamento (emissividade diferente), e não de existência ou ausência de perda de calor.

Passo 2 — Mapa de Conceitos Essenciais

• Radiação térmica: forma de transferência de calor por meio de ondas eletromagnéticas, que não depende de meio material (ocorre até no vácuo). Todo corpo com temperatura acima de 0 K emite radiação térmica continuamente.
• Emissividade (ε): grandeza que mede a eficiência de uma superfície em emitir radiação térmica, variando de 0 (refletor perfeito) a 1 (corpo negro ideal). Superfícies escuras e foscas têm emissividade alta; superfícies claras, polidas e espelhadas têm emissividade baixa.
• Lei de Kirchhoff da radiação térmica: em equilíbrio térmico, um bom emissor de radiação é necessariamente um bom absorvedor na mesma faixa de comprimento de onda — é exatamente a frase dada no enunciado ("bons emissores são também bons absorvedores dessa energia"). O inverso também vale: um bom refletor (espelhado) é um mau emissor e um mau absorvedor.
• Lei do resfriamento (relação qualitativa com Stefan-Boltzmann): a potência irradiada por um corpo é proporcional à sua emissividade (P = εσAT⁴). Quanto maior ε, mais rápido o corpo perde energia térmica para o ambiente, logo mais rápido sua temperatura cai.

Passo 3 — Decodificação do Enunciado

• Evidência 1: "a superfície externa de um deles é pintada de preto (copo 1), e a do outro é espelhada (copo 2)" → define a única variável do experimento: a natureza da superfície externa, isolando o efeito da emissividade sobre a perda de calor.
• Evidência 2: "todo material emite e absorve energia radiante" → garante que nenhum dos dois copos fica "imune" ao resfriamento — os dois perdem calor por radiação, eliminando de saída as alternativas que afirmam que a temperatura de um copo "permanece a mesma".
• Evidência 3: "bons emissores são também bons absorvedores dessa energia" → é a pista central: como o copo 1 (preto) é bom emissor, ele também é bom absorvedor, mas nesse experimento o que importa é a emissão de calor da água quente para o ambiente mais frio — e aí o copo preto se destaca por perder energia radiante com maior eficiência.
• Síntese: as três evidências convergem para uma conclusão qualitativa: ambos os copos esfriam, só que em ritmos diferentes, sendo o copo 1 (preto, alta emissividade) o que perde calor com maior rapidez que o copo 2 (espelhado, baixa emissividade).

Passo 4 — Resolução Completa (Passo a Passo)

Subpasso 4.1 — Identificar o processo físico em jogo

A água quente dentro dos copos metálicos perde calor para o ambiente por três mecanismos possíveis: condução, convecção e radiação. O enunciado direciona explicitamente o raciocínio para a radiação ("a transferência de calor por radiação pode ser observada..."), e a única diferença física entre os dois sistemas é o acabamento da superfície externa — preta fosca versus espelhada. Como condução e convecção dependeriam do material do copo (que é o mesmo nos dois casos) e do contato com o ar, a variável determinante aqui é exclusivamente a emissividade radiativa de cada superfície.

Subpasso 4.2 — Comparar a emissividade dos dois copos

Pela relação de Kirchhoff citada no próprio enunciado, bons emissores são bons absorvedores. Superfícies pretas e foscas (copo 1) têm emissividade próxima de 1: absorvem quase toda radiação incidente e, pela mesma lógica, emitem radiação com alta eficiência quando estão mais quentes que o ambiente. Já superfícies espelhadas (copo 2) têm emissividade baixa: refletem a maior parte da radiação que incide sobre elas e, por simetria física, também emitem pouca radiação térmica. Assim, para a mesma diferença de temperatura em relação ao ambiente, o copo 1 irradia energia com taxa muito maior do que o copo 2.

Subpasso 4.3 — Verificação: relacionar a taxa de emissão com a queda de temperatura

Se o copo 1 perde energia térmica por radiação mais rapidamente que o copo 2, e a quantidade inicial de água e sua temperatura inicial são as mesmas nos dois casos, então a temperatura da água do copo 1 deve cair mais depressa que a do copo 2 no mesmo intervalo de tempo. Isso não significa que o copo 2 não esfrie — ele também perde calor, só que mais lentamente, já que nenhuma superfície tem emissividade nula. Comparando com as cinco alternativas, essa conclusão — "ambos esfriam, mas o copo 1 esfria mais rápido" — corresponde exatamente à alternativa D.

Passo 5 — Análise Crítica de Todas as Alternativas

A) dos dois copos diminui igualmente.

❌ Incorreta: essa alternativa ignoraria a própria variável criada pelo experimento. Se as emissividades das duas superfícies fossem iguais, pintar um copo de preto e deixar o outro espelhado seria irrelevante — mas o enunciado é claro ao afirmar que superfícies diferentes emitem radiação de forma diferente, então as taxas de resfriamento não podem ser iguais.

B) do copo 1 diminui, e a do copo 2 permanece a mesma.

❌ Incorreta: contraria diretamente a informação de que "todo material emite e absorve energia radiante". Mesmo sendo espelhado e mau emissor, o copo 2 ainda irradia (e absorve) alguma energia — sua emissividade é baixa, mas não é zero. Portanto, sua temperatura também cai, apenas mais devagar.

C) do copo 2 diminui, e a do copo 1 permanece a mesma.

❌ Incorreta: inverte a lógica da emissividade e ainda comete o mesmo erro conceitual da alternativa B. O copo 1, por ser preto e ter alta emissividade, é justamente o que mais perde calor — nunca o que "não esfria".

D) do copo 1 diminui mais rapidamente do que a do copo 2.

✅ Correta: é exatamente a conclusão da relação de Kirchhoff aplicada ao experimento — superfície preta (alta emissividade) irradia calor com maior eficiência que superfície espelhada (baixa emissividade), logo a água do copo 1 esfria mais depressa, mesmo que a água do copo 2 também perca temperatura, ainda que mais lentamente.

E) do copo 2 diminui mais rapidamente do que a do copo 1.

❌ Incorreta: inverte o sentido da comparação. A superfície espelhada reflete a maior parte da radiação e emite pouco, sendo justamente a que resfria mais devagar — o oposto do que essa alternativa afirma.

🏆 Gabarito: D — a superfície preta do copo 1 tem emissividade muito maior que a superfície espelhada do copo 2, então ela irradia (perde) calor com mais eficiência, fazendo a água do copo 1 esfriar mais rapidamente que a do copo 2.

Passo 6 — Conclusão, Generalização e Dica de Prova

• Reafirmação do gabarito: a única alternativa compatível com "todo material emite e absorve energia radiante" e com "bons emissores são também bons absorvedores" é a D, pois ela reconhece que os dois copos esfriam, mas em velocidades diferentes, coerente com a diferença de emissividade entre preto e espelhado.
• Padrão de cobrança: o ENEM costuma explorar radiação térmica em contextos do cotidiano — garrafas térmicas, roupas escuras versus claras no verão, telhados metálicos, radiadores de carro pintados de preto — sempre pedindo que o estudante associe cor/textura da superfície à eficiência de emissão e absorção de calor.
• Generalização: superfícies escuras e foscas absorvem e emitem radiação térmica com maior eficiência; superfícies claras, polidas ou espelhadas refletem mais e emitem menos. Essa regra vale tanto para aquecimento (absorção) quanto para resfriamento (emissão), já que, pela lei de Kirchhoff, um bom emissor é sempre um bom absorvedor na mesma faixa de radiação.
• Dica de eliminação rápida: sempre que o enunciado disser que "todo material emite e absorve energia", descarte de imediato qualquer alternativa que afirme que a temperatura de um dos corpos "permanece a mesma" — isso elimina B e C em segundos, restando apenas comparar qual dos dois perde calor mais rápido.
• Conexões: lei de Stefan-Boltzmann (P = εσAT⁴); funcionamento da garrafa térmica (parede espelhada interna reduz perdas por radiação); efeito estufa e balanço radiativo da Terra, que também depende da emissividade das superfícies terrestres e atmosféricas.