Questão 135 do ENEM 2023 — Ciências da Natureza

Para entender o que acontece com o gás no interior do balão à medida que ele sobe, precisamos analisar as condições da atmosfera e como elas afetam os gases.

Conforme ganhamos altitude na atmosfera terrestre, a camada de ar acima de nós se torna cada vez menor e menos densa. Isso significa que a pressão atmosférica diminui à medida que o balão sobe. Além disso, na camada mais baixa da atmosfera (a troposfera), a temperatura também diminui com a altitude.

O balão é um recipiente flexível, o que significa que ele pode expandir ou contrair para manter a pressão do gás em seu interior em equilíbrio com a pressão do ar do lado de fora. Como a pressão externa está diminuindo durante a subida, a pressão interna do gás também diminui.

Podemos analisar essa situação usando a Equação de Clapeyron para gases ideais:

$P \cdot V = n \cdot R \cdot T$

Onde:

• $P$ é a pressão;
• $V$ é o volume;
• $n$ é o número de mols (que é constante, pois o balão está fechado);
• $R$ é a constante universal dos gases;
• $T$ é a temperatura.

Embora a temperatura ($T$) diminua com a altitude — o que, isoladamente, faria o volume diminuir —, a queda na pressão atmosférica ($P$) é muito mais drástica e dominante. Para que a equação se mantenha equilibrada com uma queda acentuada de pressão, o volume ($V$) do gás precisa aumentar. É por isso que balões meteorológicos, por exemplo, são soltos murchos e vão inflando até estourarem em grandes altitudes.

Vamos analisar o que ocorre com as outras grandezas mencionadas nas alternativas:

• Pressão: Diminui, acompanhando a pressão atmosférica externa.
• Densidade: A densidade é dada por $d = \frac{m}{V}$. Como a massa ($m$) do gás não muda e o volume ($V$) aumenta, a densidade diminui.
• Temperatura: Diminui, pois o gás tende a entrar em equilíbrio térmico com o ar externo, que é mais frio em maiores altitudes.
• Massa molar: Permanece constante, pois é uma característica intrínseca do gás hélio e não depende de fatores externos.

Portanto, a única grandeza que sofre aumento durante a subida do balão é o volume.