Questão 072, caderno azul do ENEM 2012 ppl Caderno Branco

Um aquecedor solar consiste essencialmente em uma serpentina de metal, a ser exposta ao sol, por meio da qual flui água a ser aquecida. A parte inferior da serpentina é soldada a uma chapa metálica, que é o coletor solar. A forma da serpentina tem a finalidade de aumentar a área de contato com o coletor e com a própria radiação solar sem aumentar muito o tamanho do aquecedor. O metal, sendo bom condutor, transmite a energia da radiação solar absorvida para as paredes internas e, daí, por condução, para a água. A superfície deve ser recoberta com um material, denominado material seletivo quente, para que absorva o máximo de radiação solar e emita o mínimo de radiação infravermelha. Os quadros relacionam propriedades de alguns metais/ligas metálicas utilizados na confecção de aquecedores solares:

Os aquecedores solares mais eficientes e, portanto, mais atrativos do ponto de vista econômico, devem ser construídos utilizando como material metálico e material seletivo quente, respectivamente,

A) aço e material seletivo quente A.

B) aço e material seletivo quente B.

C) cobre e material seletivo quente C.

D) zinco e material seletivo quente B.

E) cobre e material seletivo quente A.

Resolução em texto

Olá! Vamos desvendar juntos essa questão de física que trata da tecnologia por trás dos aquecedores solares. É um ótimo exemplo de como a escolha dos materiais certos, baseada em suas propriedades físicas, é crucial para a eficiência de um aparelho.

Matérias Necessárias para a Solução da Questão

Termologia (Transferência de Calor: Condução e Radiação)
Óptica (Absorção e Emissão de Radiação)
Interpretação de Tabelas

Tema/Objetivo Geral: Seleção de materiais para otimizar a eficiência de um coletor solar com base em suas propriedades térmicas.

Nível da Questão: Médio.

Detalhe: A questão é de nível médio porque não testa apenas um conceito, mas dois critérios de otimização simultaneamente: a melhor condução de calor e a melhor relação entre absorção e emissão de radiação. É preciso ler o texto com atenção para entender o papel de cada material e, em seguida, usar as tabelas para encontrar a melhor combinação.

Gabarito: E

A alternativa está correta porque, para máxima eficiência, o aquecedor precisa do metal com a maior condutividade térmica para transferir o calor rapidamente (Cobre, 411,0) e do material seletivo com a maior razão absorção/emissão para capturar o máximo de energia solar e perder o mínimo (Material A, 8,45).

Resolução Passo a Passo

🔎 Passo 1: Análise do Comando e Definição do Objetivo

1.1 Transcrição Essencial
“Os aquecedores solares mais eficientes […] devem ser construídos utilizando como material metálico e material seletivo quente, respectivamente,”

1.2 O que está sendo pedido?
A questão pede para que a gente escolha, a partir das tabelas, a melhor combinação de materiais (um metal para a estrutura e um revestimento seletivo) para construir o aquecedor solar mais eficiente.

1.3 Objetivo Cristalino
Nossa missão é usar as informações do texto para definir os critérios de um material “eficiente” e, em seguida, procurar nas tabelas os materiais que melhor atendem a esses critérios.

1.4 Pergunta de Atenção
Para esquentar a água o mais rápido possível, você usaria uma panela de que material: madeira ou metal? E de que cor você pintaria a parte de fora do aquecedor para ele absorver mais sol: branco ou preto fosco? Entender a física por trás dessas escolhas é a chave para a questão!

📚 Passo 2: Explicação de Conceitos e Conteúdos Necessários

2.1 Definições e explicação de termos
Para resolver a questão, precisamos entender as duas propriedades físicas em jogo:

1. Condutividade Térmica (para o Material Metálico):
- O que é? É a capacidade de um material de conduzir calor.
- Como funciona? Em um aquecedor, a chapa metálica absorve o calor do sol, e esse calor precisa ser transferido de forma rápida e eficiente para a serpentina e, finalmente, para a água.
- Critério de Eficiência: Para um aquecedor eficiente, queremos que o calor “viaje” o mais rápido possível. Portanto, precisamos de um metal com a MAIOR condutividade térmica possível.
2. Razão Absorção/Emitância (para o Material Seletivo Quente):
- O que é? O revestimento do aquecedor tem uma dupla missão:
  1. Absorver o máximo de radiação solar (luz visível e ultravioleta).
  2. Emitir (perder) o mínimo de radiação infravermelha (calor).
- Absorbância: É a fração da energia solar que o material consegue capturar. Queremos que seja ALTA.
- Emitância: É a fração da energia (na forma de calor) que o material perde para o ambiente. Queremos que seja BAIXA.
- Critério de Eficiência: Para maximizar a eficiência, queremos maximizar a absorbância e minimizar a emitância. Portanto, procuramos o material com a MAIOR razão (Absorbância / Emitância). A tabela já nos dá esse valor calculado.

📝 Passo 3: Tradução e Interpretação do Problema

3.1 Contextualização Simplificada
Imagine que o aquecedor solar é um “apanhador de sol”. Ele precisa de duas partes para funcionar bem:

A “Luva de Pegar” (o metal): Precisa ser de um material que, ao tocar no calor, o passe para a mão (a água) muito, muito rápido.
A “Cor da Luva” (o revestimento): Precisa ser de uma cor que “grude” o máximo de luz do sol e que, ao mesmo tempo, “solte” o mínimo de calor para o ar.
Nossa tarefa é escolher a melhor “luva” e a melhor “cor” da lista de opções.

3.2 Estratégia Geral
A estratégia é uma busca pelo “melhor da classe” em cada tabela:

Tabela de Metais: Procurar o metal com o maior valor de condutividade térmica.
Tabela de Materiais Seletivos: Procurar o material com o maior valor da razão absorção/emitância.
Juntar os dois “campeões” para formar o par da resposta correta.

🧮 Passo 4: Desenvolvimento do Raciocínio e Análise das Alternativas

4.1 Passo a Passo Detalhado e Análise das Alternativas
Vamos aplicar nossa estratégia, analisando cada tabela.

Passo A: Escolhendo o melhor Material Metálico
- O critério é a maior condutividade térmica.
- Olhando a primeira tabela:
  - Zinco: 116,0
  - Aço: 52,9
  - Cobre: 411,0 (O maior!)
- Conclusão: O melhor metal para a estrutura é o Cobre.
Passo B: Escolhendo o melhor Material Seletivo Quente
- O critério é a maior razão entre absorbância e emitância.
- Olhando a segunda tabela:
  - Material A: 8,45 (O maior!)
  - Material B: 7,42
  - Material C: 7,72
- Conclusão: O melhor revestimento é o Material Seletivo Quente A.
Passo C: Montando a Combinação Ideal
- A questão pede, “respectivamente”, o material metálico e o material seletivo.
- A combinação mais eficiente é: (Cobre, Material Seletivo Quente A).
Análise das Alternativas:
- A) aço e material seletivo quente A. (🔴 Incorreta: Aço não é o melhor condutor).
- B) aço e material seletivo quente B. (🔴 Incorreta: Nenhum dos dois é o melhor).
- C) cobre e material seletivo quente C. (🔴 Incorreta: Cobre é o melhor metal, mas o material C não é o melhor seletivo).
- D) zinco e material seletivo quente B. (🔴 Incorreta: Nenhum dos dois é o melhor).
- E) cobre e material seletivo quente A. (🟢 Correta: Combina o melhor metal com o melhor material seletivo).

4.2 Possível armadilha ❓
A principal armadilha seria não entender o critério para o material seletivo. Um aluno poderia pensar que o menor valor da razão seria melhor, ou poderia não entender o que a razão significa. O texto é claro: “absorva o máximo […] e emita o mínimo”, o que matematicamente se traduz em maximizar a fração absorção/emissão.

🏆 Passo 5: Conclusão e Justificativa Final

5.1 Resumo do Raciocínio
Para construir o aquecedor solar mais eficiente, é necessário escolher os materiais com as melhores propriedades térmicas. Para a estrutura metálica, o critério é a máxima condutividade térmica, a fim de transferir o calor rapidamente para a água. Na tabela, o Cobre possui o maior valor (411,0 W/m·K). Para o revestimento, o critério é a maior razão entre a absorção de radiação solar e a emissão de radiação infravermelha, para maximizar o ganho de energia e minimizar a perda. Na tabela, o Material A possui o maior valor (8,45). Portanto, a combinação mais eficiente é Cobre e Material A.

5.2 Gabarito Reafirmado
A resposta correta é a alternativa E.

5.3 Resumo Final para Revisão 🔍
A dica de ouro para problemas de otimização de materiais é:

Leia o texto para entender qual propriedade física é importante para cada função.
Determine se você precisa maximizar ou minimizar essa propriedade.
Procure o valor correspondente na tabela.