Questão 103 do ENEM 2024 — Ciências da Natureza

O aquecedor solar tem duas partes que trocam calor entre si: o coletor solar (onde a água é aquecida pelo Sol) e o reservatório térmico (onde a água quente fica armazenada). A pergunta é sobre o processo que leva o calor do coletor até o reservatório. Para respondê-la, vamos relembrar os três mecanismos de transferência de calor e ver qual deles atua nesse trajeto.

1. Irradiação: a energia térmica viaja na forma de ondas eletromagnéticas, sem precisar de meio material. É por irradiação que o calor do Sol chega até as placas do coletor. Cuidado com a alternativa D: a irradiação explica como o calor chega ao sistema vindo do Sol, mas não como ele se desloca dentro da tubulação de água.

2. Condução: ocorre principalmente em sólidos, por agitação molecular transmitida de partícula a partícula, sem transporte de matéria. É por condução que o calor passa da parede sólida do coletor (aquecida pelo Sol) para a água em contato direto com ela.

3. Convecção: é o transporte de calor que ocorre em fluidos (líquidos e gases) por meio do deslocamento do próprio fluido, provocado por diferenças de densidade.

Vamos entender por que é a convecção que move o calor do coletor até o reservatório. Quando a água dentro do coletor é aquecida, sua temperatura $T$ aumenta e ela sofre dilatação térmica. Com o volume maior e a mesma massa, sua densidade diminui — lembrando que $d = \frac{m}{V}$. Sendo menos densa, essa água quente recebe um empuxo maior que seu peso e tende a subir em direção ao reservatório.

Ao mesmo tempo, a água mais fria — de temperatura menor e, portanto, mais densa — desce para ocupar o espaço deixado no coletor. Forma-se assim um ciclo contínuo de circulação: água quente sobe, água fria desce.

Esse movimento do próprio fluido, impulsionado exclusivamente pela diferença de densidade, é o que transporta a energia térmica do coletor para o reservatório. Esse fenômeno é a definição exata de convecção.

Gabarito: Alternativa E