ENEM 2021 · Ciências da Natureza · Física · energia
Questão 115 do ENEM 2021
Resposta: letra B. A questão compara a eficiência de condução de calor de três tipos de panelas: ferro, alumínio e uma combinação de cobre e aço. A ordem de economia de gás (mais econômica para menos econômica) é determinada pela taxa de condução de calor, que depende da condutividade térmica e da espessura dos materiais. A panela de alumínio, com alta condutividade (20 W/m K), é a mais eficiente, seguida pela combinação cobre-aço, e por último a de ferro, que tem a menor condutividade (8 W/m K).
Na montagem de uma cozinha para um restaurante, a escolha do material correto para as panelas é importante, pois a panela que conduz mais calor é capaz de cozinhar os alimentos mais rapidamente e, com isso, há economia de gás. A taxa de condução do calor depende da condutividade k do material da sua área A, da diferença de temperatura T e da espessura d do material, sendo dada pela relação . Em panelas com dois materiais, a taxa de condução é dada por , em que e são as espessuras dos dois materiais, e e são as condutividades de cada material. Os materiais mais comuns no mercado para panelas são o alumínio (k = 20 W/m K), o ferro (k = 8 W/m K) e ao aço (k = 5 W/m K) combinado com o cobre (k = 40 W/m K).
Compara-se uma panela de ferro, uma de alumínio e uma composta de da espessura em cobre e da espessura em aço, todas com a mesma espessura total e com a mesma área de fundo.
A ordem crescente da mais econômica para a menos econômica é
- ACobre-aço, alumínio e ferro.
- BAlumínio, cobre-aço e ferroResposta correta
- CCobre-aço, ferro e alumínio
- DAlumínio, ferro e cobre-aço
- EFerro, alumínio e cobre-aço
Como resolver a questão 115 passo a passo?
O conceito que resolve
A taxa de condução de calor é diretamente proporcional à condutividade térmica do material e inversamente proporcional à sua espessura. Materiais com maior condutividade permitem uma transferência de calor mais rápida, resultando em menor tempo de cozimento e, consequentemente, economia de energia.
Como chegar na resposta
- Identificar as condutividades térmicas dos materiais: alumínio (20 W/m K), ferro (8 W/m K), cobre (40 W/m K) e aço (5 W/m K).
- Calcular a condutividade efetiva da panela composta (cobre-aço): usando a fórmula para materiais em série, onde a espessura total é dividida entre cobre (1/3) e aço (2/3), a condutividade efetiva é aproximadamente 12.5 W/m K.
- Comparar as taxas de condução: a panela de alumínio tem a maior taxa (20), seguida pela combinação cobre-aço (12.5), e a de ferro tem a menor (8).
- Ordenar as panelas do mais econômico (maior taxa de condução) para o menos econômico: alumínio > cobre-aço > ferro.
Por que cada alternativa
- ACobre-aço, alumínio e ferro: Incorreto. A panela de alumínio conduz calor mais rápido que a combinação cobre-aço, pois sua condutividade é maior (20 vs ~12.5).
- BAlumínio, cobre-aço e ferro: Correto. Alumínio tem a maior condutividade, seguido pela média da combinação cobre-aço, e ferro tem a menor.
- CCobre-aço, ferro e alumínio: Incorreto. A panela de alumínio é mais eficiente que a de ferro, e a combinação cobre-aço está entre elas.
- DAlumínio, ferro e cobre-aço: Incorreto. A combinação cobre-aço é mais eficiente que o ferro, pois sua condutividade efetiva (~12.5) é maior que a do ferro (8).
- EFerro, alumínio e cobre-aço: Incorreto. Ferro é o menos eficiente, e a combinação cobre-aço é mais eficiente que o ferro.
Onde essa questão derruba a maioria
A principal pegadinha é confundir a ordem de condutividade com a ordem de espessura ou interpretar erroneamente a combinação de materiais. A panela composta (cobre-aço) tem uma condutividade média que depende da fração de cada material, não sendo simplesmente a soma ou a média aritmética das condutividades, mas sim uma média ponderada pela espessura. Além disso, é comum confundir a ordem de eficiência com a ordem de custo ou popularidade dos materiais.
O que estudar se você errou
Para revisar, é importante entender a fórmula de condução de calor em série para materiais compostos e como a condutividade térmica afeta o tempo de cozimento. Praticar o cálculo de médias ponderadas para propriedades físicas em materiais multicamadas é essencial para resolver questões similares.
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