Questão 57 do ENEM 2015 — Ciências da Natureza

Para resolver essa questão, precisamos entender o processo termodinâmico descrito no texto e identificar em qual etapa a energia está sendo "guardada" (armazenada) e em qual etapa ela está sendo "usada" (recuperada).

Analisando o Processo

O texto descreve um ciclo com duas fases principais em relação à energia:

1. Armazenamento da energia: A energia elétrica excedente é utilizada para resfriar o ar a $-198^\circ\text{C}$ e liquefazer o nitrogênio gasoso. Note que o texto destaca que o nitrogênio passa a ocupar um volume $700$ vezes menor. Para forçar um gás a diminuir drasticamente de volume e mudar para o estado líquido, é necessário o uso de compressores e sistemas de refrigeração. Ou seja, o sistema elétrico gasta energia para realizar trabalho sobre o gás.

2. Recuperação da energia: Quando há necessidade de energia, o nitrogênio líquido é exposto à temperatura ambiente. Ele absorve calor, entra em ebulição e volta a ser gás, expandindo-se violentamente. Essa expansão faz girar turbinas, gerando energia elétrica novamente. Aqui, é o gás que realiza trabalho sobre as turbinas.

A Lógica do Armazenamento

Podemos fazer uma analogia simples com uma mola. Quando você usa a força dos seus braços para comprimir uma mola, você está realizando trabalho sobre ela. A energia do seu corpo fica armazenada na mola na forma de energia potencial elástica. Quando você solta a mola, ela se expande e libera essa energia.

No processo da questão, a "mola" é o gás nitrogênio. A energia elétrica excedente alimenta máquinas que comprimem e resfriam o gás (realizando trabalho sobre ele). A energia fica armazenada no fato de termos um líquido altamente comprimido e frio. Quando permitimos que ele evapore e se expanda, ele devolve essa energia.

Avaliando as Alternativas

• A) expansão do nitrogênio durante a ebulição: Incorreta. A expansão é o momento em que a energia armazenada é liberada para girar as turbinas, e não o momento em que é armazenada.
• B) absorção de calor pelo nitrogênio durante a ebulição: Incorreta. A absorção de calor do ambiente é o gatilho para a expansão (liberação da energia).
• C) realização de trabalho sobre o nitrogênio durante a liquefação: Correta. É exatamente o trabalho mecânico feito pelos compressores (movidos pela energia elétrica excedente) sobre o gás para transformá-lo em líquido que caracteriza o armazenamento da energia.
• D) retirada de água e gás carbônico da atmosfera antes do resfriamento: Incorreta. Essa é apenas uma etapa de purificação do ar para evitar que a água e o gás carbônico congelem e danifiquem os equipamentos.
• E) liberação de calor do nitrogênio para a vizinhança durante a liquefação: Incorreta. O calor liberado para a vizinhança durante o resfriamento é uma energia perdida (dissipada), e não a energia útil que fica armazenada para girar as turbinas depois.

Portanto, a energia elétrica excedente é armazenada ao se realizar trabalho sobre o nitrogênio para liquefazê-lo.