O oxigênio na Terra

 

A Terra surgiu há 4,5 bilhões de anos e possivelmente a composição de sua atmosfera era similar à dos planetas vizinhos. Mas ao longo do tempo essa atmosfera se modificou completamente. Uma das principais mudanças foi o incrível aumento de oxigênio. Existe evidências do incremento permanente de concentrações de oxigênio entre 2,4 e 2,1 bilhões de anos atrás. Este aumento é conhecido como o "Grande Evento de Oxidação". A existência desse evento foi inferida pelas impressões em rochas sedimentares. Foi observado que a partir dessa época aparecem registros de solos vermelhos enferrujados, consequência da oxidação de ferro. Além disso, os sedimentos mais antigos continham minerais como a pirita, que depois desapareceram. A pirita é facilmente oxidável e, portanto, se desfaz na presença de oxigênio. 

Dados fósseis mostram que as cianobactérias foram os primeiros organismos produtores de oxigênio por fotossíntese e os responsáveis pelo "Grande Evento de Oxidação". A elevada quantidade de oxigênio criou condições para o aparecimento dos primeiros animais no ambiente marinho. Assim, o "Grande Evento de Oxidação" foi o grande passo para a explosão da vida na Terra.

REFERÊNCIA

Lyons, T., Reinhard, C. & Planavsky, N. The rise of oxygen in Earth’s early ocean and atmosphere. Nature 506, 307–315 (2014). https://doi.org/10.1038/nature13068

O buraco de minhoca

 Um buraco de minhoca é um objeto que, em teoria, cria uma "fenda" no espaço-tempo, servindo de atalho entre dois pontos distantes no universo. Embora pareçam coisa de ficção científica, os buracos de minhoca são possíveis na Teoria da Relatividade Geral de Albert Einstein.

Quando Einstein publicou suas teorias no início do século XX, os cientistas descobriram que o espaço e o tempo são indivisíveis, isto é, são parte da mesma estrutura chamada espaço-tempo. Tudo no universo está nessa "malha", inclusive nosso planeta e nós, os seus habitantes.

O espaço-tempo é mais ou menos como uma grande esponja dessas de lavar louça ou preencher travesseiros. Podemos apertá-la e esticá-la, e, quando fazemos isso, a estrutura da esponja ao redor do local pressionado (ou esticado) se move um pouco.

Imagine que apertamos, com os dedos, dois lados opostos da esponja até que eles se aproximem o máximo possível, a ponto dos dedos quase encostarem um no outro. Claro, eles não podem de fato se tocar porque há uma camada de esponja entre eles, mas esses pontos pressionados ficaram bem próximos.

Se você tiver uma agulha pequena, poderia atravessar a esponja enquanto esses pontos estão pressionados um contra o outro. Mas, se você soltá-los e deixar o material voltar ao seu formato original, a agulha pode não ser grande o suficiente para entrar por um lado e sair pelo outro.

O espaço-tempo é muito maior que qualquer esponja, mas a analogia é útil para entender como os buracos de minhoca funcionam. É como se alguém pudesse apertar dois pontos distantes do universo, espremendo a malha do espaço-tempo até que eles se aproximem. Assim, o buraco de minhoca não é exatamente um atalho, pois o espaço dentro deles ainda é o mesmo. A distância entre os pontos foi apenas comprimida, assim como a esponja não desaparece entre seus dedos, apenas se contrai em si mesma por causa dos vãos de seu material.

A teoria de Arrhenius

 

Em 1884, o físico-químico Svante Arrhenius apresentou a sua tese de doutorado sobre a condutividade elétrica de soluções diluídas. É fácil repetirmos alguns de seus experimentos ao dissolvermos açúcar ou sal na água. Podemos constatar que a solução com açúcar não conduz eletricidade, ao passo que a solução salina permite a passagem de corrente elétrica. 

O açúcar em contato com a água se divide em porções muito pequenas e com propriedades similares às dos grãos maiores. Arrhenius propôs que quando um sal sólido é dissolvido em água, ele se divide em partículas menores com cargas elétricas. Dessa forma, o sal de cozinha ou cloreto de sódio (NaCl), dissolvido na água, produz Na+ (sódio sem um elétron) e Cl- (cloro com um elétron extra). Esses átomos eletricamente carregados (íons) é que permitem que a solução conduza eletricidade.

Até então imaginava-se que a produção de íons ocorria apenas com a aplicação de energia elétrica, mas Arrhenius sugeriu que os íons podem estar presentes em uma solução. Essa é a Teoria Eletrolítica da Dissociação. Deve-se ressaltar que essa ideia do cientista surgiu 13 anos antes da descoberta do elétron, a partícula subatômica responsável pela criação de partículas com carga positiva e negativa (chamadas íons). A teoria inovadora levantada por Arrhenius não foi bem recebida e a sua tese foi aprovada com razoável desprezo. Quase duas décadas depois, o Prêmio Nobel de Química de 1903 foi concedido a Arrhenius "em reconhecimento aos serviços extraordinários que prestou ao avanço da química por sua Teoria Eletrolítica da Dissociação".

REFERÊNCIAS

https://balticeye.org/en/eutrophication/elemental/arrhenius/#:~:text=In%201884%2C%20Arrhenius%20presented%20his,positively%20and%20negatively%20charged%20particles

https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/chem.201805264#:~:text=1%20The%20main%20idea%20of,current%20carriers%20responsible%20for%20the

https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1903/arrhenius/facts/

A pressão atmosférica

 

O ar tem massa e é composto por várias moléculas que estão em constante movimento. Como tais moléculas têm massa, elas são puxadas em direção à Terra pela gravidade. Os movimentos das moléculas de ar (que ocorrem em alta velocidade e em todas as direções) neutralizam um pouco a gravidade. A gravidade puxa as moléculas de ar para baixo, enquanto os seus movimentos em todas as direções as mantêm suspensas. A gravidade faz com que a densidade de moléculas seja maior ao nível do mar. Portanto, em elevadas altitudes o ar é mais rarefeito! 

Chamamos de pressão atmosférica, o ar acima de uma área que é acelerado para baixo pela gravidade. Há mais moléculas para exercer pressão ao nível do mar. Portanto a pressão atmosférica é maior nesse local. Já em área de maior altitude o número de moléculas de ar acima de uma área é menor e a pressão atmosférica é menor. 

EBULIÇÃO DA ÁGUA

O ponto de ebulição da água é um dos fatos científicos que aprendemos bem cedo na escola. Todos afirmam que a água ferve a 100º Celsius. No entanto, isso é verdade apenas sob a pressão atmosférica ao nível do mar. Para ferver a água, é necessário aplicar energia em forma de calor. À medida que tal energia é transferida para as moléculas de água, elas começam a se movimentar mais rapidamente e a quebrar as ligações que as mantêm unidas. As moléculas de água escapam facilmente da superfície quando a pressão do ar acima delas é menor. Essa é uma condição que ocorre em locais acima do nível do mar. O ponto de ebulição da água será menor quanto maior a altitude. Portanto, o cafezinho dos cariocas sempre será mais quente do que o dos brasilienses!

O gás carbônico e o efeito estufa

 

O gás carbônico (CO2) liberado pela queima de combustível fóssil e pelo desmatamento é apontado como um dos principais responsáveis pelo aumento do efeito estufa.

A Terra recebe luz do Sol que inclui diferentes comprimentos de onda. Parte dessa radiação é transmitida pela Terra de volta à atmosfera em forma de ondas infravermelhas (ondas de calor). A Terra emite ondas infravermelhas principalmente entre 3 e 60 μm (micrômetros) (gráfico de cima). Parte dessas ondas infravermelhas atravessa a atmosfera e retorna ao espaço. Porém, as ondas de 4,3 e as de 15 μm são absorvidas pelas moléculas de CO2 (gráfico de baixo). A molécula de CO2 apresenta dois estados de vibração natural (axial e angular) que ocorrem justamente nas mesmas frequências desses dois comprimentos de onda. É isso que possibilita que ela absorva essas ondas. Tal absorção provoca a intensificação das vibrações da molécula de CO2. Depois disso, essas moléculas retornam ao estado energético natural, liberando tais ondas. Assim, parte da radiação infravermelha retorna para a atmosfera. Importante ressaltar que isso acontece com as ondas de comprimento de 15 μm, próximo justamente à maior intensidade de infravermelho transmitida pela Terra (ver pico da curva gráfico). 

Portanto, o CO2 bloqueia o retorno de ondas de calor com comprimento em torno de 4,3 e de 15 μm. Tais ondas reemitidas pelas moléculas de CO2, sobretudo as de 15 μm, colaboram intensamente para o efeito estufa. 

As emissões globais de gás carbônico continuam crescendo e têm atingido as maiores altas da história nos últimos anos. O seu aumento tem causado o aumento da  temperatura da Terra  

Fonte: https://www.facebook.com/entendamai.../posts/585634529484934 

O primeiro Wireless

 

O físico e matemático James Maxwell deu importante passo para melhor compreensão do magnetismo. A partir das ideias de outros cientistas (e.g. Gauss, Ampére, Faraday) ele formulou um conjunto de equações que descreve os fenômenos eletromagnéticos. Maxwell (1873) previu que perturbações eletromagnéticas geradas em um local deveria se propagar pelo espaço à velocidade da luz.

Foi o físico Heinrich Hertz, no final do século XIX, que demonstrou experimentalmente a existência das ondas eletromagnéticas, conforme a concepção de Maxwell.

O EXPERIMENTO DE HERTZ

Heinrich Hertz imaginou que, se as predições de Maxwell estivessem corretas, ondas eletromagnéticas seriam geradas a partir de faíscas elétricas e poderiam ser captadas por um receptor.

Hertz construiu um dispositivo com duas esferas de bronze próximas entre si. Tais esferas ficavam conectadas a uma bobina de indução, que produzia uma alta tensão elétrica. Com isso era produzida uma faísca entre as esferas. Um receptor, que consistia em uma espira aberta e também com duas pequenas esferas de bronze, foi colocado a certa distância. Quando Hertz produziu faíscas pelo dispositivo principal, o receptor também passou a emitir faíscas. A formação de faíscas entre as esferas do receptor ocorria devido a produção de corrente elétrica na espira aberta. Tal corrente elétrica era induzida pelas ondas eletromagnéticas geradas pelo faiscamento do dispositivo principal.

"Estava construído o primeiro wireless da história!"

Poucos anos depois esse princípio foi usado para construção do telégrafo por Marconi, que culminou com a fabricação do rádio. E hoje desfrutamos de uma série de benefícios, incluindo o seu celular. Tudo graças a Hertz, Maxwell, Gauss, Ampére, Faraday, Marconi e muitos outros que fizeram da ciência a sua profissão.

do Vazio de Aristoteles ao Barômetro

 

Aristóteles negou a existência do espaço vazio. Para o antigo filósofo e cientista grego qualquer porção de matéria retirada é logo ocupada por outra. É atribuído a ele a célebre expressão “a natureza tem horror ao vácuo”. Desde então, ao longo de toda a idade média, predominou a ideia de que o espaço não pode ser definido em uma região onde nada existe.

No entanto, em 1644, o matemático italiano Evangelista Torricelli mostrou que aqueles que eram céticos da existência do espaço vazio estavam errados. Seu experimento foi bastante simples: Torricelli encheu um tubo de vidro com 1000 mm de comprimento com mercúrio e selou a extremidade aberta com a ponta do dedo. Ele então imergiu essa extremidade em um recipiente contendo mercúrio. Ao retirar o dedo, a coluna de mercúrio desceu até a altura de 760 mm e se formou uma lacuna vazia acima. Desta maneira, Torricelli demonstrou que o espaço vazio formado no tubo era de fato um vácuo. Isso porque quando ele invertia o tubo novamente, a lacuna desaparecia imediatamente, mais rápido do que o ar poderia se dissipar.

Com tal experimento, além de mostrar a existência do vácuo, Torricelli havia inventado o primeiro barômetro (instrumento que mede a pressão atmosférica). Quatro anos mais tarde, em 1648, o cientista e filósofo francês Blaise Pascal mostrou que a altura do mercúrio variava com a altitude, o que se deve a diferenças na pressão atmosférica.

Na década de 1650, Otto von Guericke, prefeito da cidade alemã de Magdeburg, foi o primeiro a gerar um vácuo em grande escala. Von Guericke juntou dois hemisférios de cobre bem ajustados e, usando uma bomba de vácuo, extraiu o ar da esfera. Ele então juntou duas equipes de dezesseis cavalos (oito de cada lado) que não conseguiram separar os hemisférios evacuados. A enorme pressão atmosférica externa à esfera impedia que os hemisférios fossem separados.

Os Hemisférios de Magdeburg se tornaram um experimento clássico que demonstra a fortíssima pressão atmosférica ao nosso redor. No dia a dia, não nos damos conta dessa enorme pressão. Por outro lado, o sagaz Aristóteles tinha tanta noção da sua existência que isso o levou a duvidar da existência do vazio. Duvida que persiste hoje, pois tanto no vácuo produzido pelos humanos como naquele existente no meio interestelar ou intergalático há ainda alguns átomos. O nada parece ser um quase nada!

REFERÊNCIAS

Jousten, K. A unit for nothing. Nat. Phys. 15, 618 (2019). https://www.nature.com/articles/s41567-019-0530-8

The Experiment Demonstrating That as a Result of Air Pressure, Two Hemispheres can be Joined Together in Such a Way That They Cannot be Separated by Sixteen Horses. In: The New (So-Called) Magdeburg Experiments of Otto Von Guericke. Archives Internationales D’Histoire Des Idées / International Archives of the History of Ideas, vol 137. Springer, Dordrecht. https://doi.org/10.1007/978-94-011-2010-4_70

A evolução do relógio

Provavelmente os humanos começaram a medir a passagem do tempo observando o movimento dos astros no céu. E foi usando a luz do Sol e o seu deslocamento que foi concebido o primeiro relógio. O relógio solar dos egípcios é o primeiro registro de um dispositivo para medir o tempo de modo mais preciso. No entanto, tal relógio tem uma série de limitações, incluindo a necessidade da luz solar.

A clepsidra é talvez o mais antigo instrumento de medição de tempo na ausência de Sol. Tal dispositivo utiliza a água e foi um dos primeiros sistemas criados pela humanidade para medir o tempo. O seu princípio básico de funcionamento é o mesmo da ampulheta de areia.

Foi somente no século XIII que surgiram os primeiros relógios mecânicos. Usando pêndulos ou molas e um intrincado sistema de engrenagens tais relógios conseguiram registrar a passagem do tempo com razoável precisão.

O grande passo para aumentar a precisão da medição de tempo foi dado pelo relógio de quartzo. Nesse relógios as engrenagens são reguladas por um minúsculo cristal de quartzo ao invés de um pêndulo oscilante. Isso se deve a uma propriedade do quartzo que consiste em gerar eletricidade caso seja comprimido. O cristal de quartzo é formado por átomos de silício e oxigênio (SiO2) dispostos em uma estrutura quase hexagonal. Quando tal estrutura é tensionada ou comprimida os átomos de silício (positivos) e de oxigênio (negativos) são deslocados e a distância entre as cargas positivas e negativas se altera, criando um potencial elétrico e um subsequente fluxo de corrente elétrica. O efeito inverso também é verdadeiro. Ou seja, se aplicarmos uma corrente elétrica através do cristal de quartzo ele irá se esticar, se contrair e vibrar. O cristal de quartzo vibra em uma frequência de exatamente 32.768 vezes por segundo. A partir dessa vibração regular um microprocessador gera um impulso por segundo, que é transmitido a um motor conectado às engrenagens que giram o ponteiro dos segundos.

Um relógio de quartzo não marca o tempo com absoluta precisão porque a frequência de sua vibração sofre discretas variações em diferentes temperaturas e pressões. A elevada precisão da medida de tempo só foi atingida com o relógio atômico. Nesse relógio a "vibração" provém de um átomo energizado e o erro pode ser de apenas 1 segundo a cada 100 milhões de anos. No relógio atômico de césio, o átomo é exposto a ondas de rádio e o seu elétron mais externo pode oscilar entre dois estados de energia diferentes (níveis hiperfinos), emitindo pulsos a uma frequência de exatamente 9.192.631.770 Hz. Assim, desde 1967 a definição oficial de "um segundo" pelo Sistema Internacional de Unidades é de 9.192.631.770 ciclos de radiação que faz um átomo de Césio vibrar entre dois estados de energia.

REFERÊNCIAS

https://uk.mondaine.com/blogs/news/how-does-a-quartz-watch-work?fbclid=IwAR3S16WdAj4XWu762Jge9IJBVdQd_DET0NOsvlQQFDACIPEJ2khcqyd1wCc#:~:text=A%20Quartz%20watch%20works%20as,vibrations%20into%20one%20electric%20pulse

https://museum.seiko.co.jp/en/knowledge/MechanicalTimepieces01/?fbclid=IwAR0o5hmfW8Gkj8bJFZJzj0SiswhfUj3SZfPHC934MGIOww5KIpVX_bfwu1c#:~:text=The%20world's%20first%20mechanical%20clocks,the%20time%20by%20striking%20bells

https://www.circuitbread.com/ee-faq/what-is-piezoelectricity?fbclid=IwAR3eJxcRp-p_q8I1g-xq7an49nuY8P7b0CbvyC6AWuN0eZG_tZipfbFC3Tg

https://www.explainthatstuff.com/quartzclockwatch.html?fbclid=IwAR3oeMHxx_RU1FcwSMa_HRt7-kB9htvS8fVKAz3Aa7XkXAV2822TPDqZswc

https://www.livescience.com/32660-how-does-an-atomic-clock-work.html?fbclid=IwAR3EQFjZbOs_56ib6kyq-3Qmtjyu3l4GOFjOo4VdOG733MZUSxiOi9A7ljs

https://www.timeanddate.com/time/how-do-atomic-clocks-work.html?fbclid=IwAR1ZUqoiMEvRF548kvcOor9H8f9LFH7Y7oOHqsEDNFXbPMHCNgEL-2X-v90

https://www.scientificamerican.com/article/how-does-one-arrive-at-th/?fbclid=IwAR3qOVSEqUFvsAmhshB0dblauVef_2ejX_HK_lMmY_SFgoyLnoHMPMDrROY

A descoberta do elétron

 

O tubo de Crookes é feito de vidro com vácuo (ou gás de baixíssima pressão) em seu interior. Existem duas placas metálicas nas extremidades, ligadas a uma fonte de tensão elétrica. A placa ligada ao pólo negativo é chamada de catodo e a outra, ligada ao pólo positivo, é o anodo. Quando a tensão entre o catodo e o anodo fica bem elevada surge um feixe luminoso que sai do catodo e atravessa o tubo. São os "raios catódicos". O tubo de Crookes foi concebido pelo físico William Crookes, por volta de 1870. Posteriormente, em 1897, o cientista Joseph John Thomson, usando artefato similar (ver figura, à direita), observou que o feixe de raios catódicos era desviado na direção e sentido de uma placa carregada positivamente. Tal efeito pode ser observado aproximando os pólos de um imã: o negativo repelindo e o positivo atraindo, veja o vídeo https://youtu.be/m21nSNOlIlk

Tais experimentos fizeram Thomson concluir que os raios eram na verdade um feixe de partículas carregadas negativamente. Estava descoberto o elétron, que rendeu o prêmio Nobel a J.J. Thomson. A descoberta do elétron levou a elaboração do primeiro modelo atômico, formado de cargas positivas e negativas, o qual foi aperfeiçoado mais tarde pelos cientistas Rutherford e Bohr.

Os raios catódicos (feixes de elétrons) podem produzir luminescência de determinados corpos com que se chocam. Utilizando esse princípio foram elaboradas as primeiras telas de TV e de computadores.