O Comportamento Anômalo da Água

Aquecendo certa massa m de água, inicialmente a 0 °C, até a temperatura de 100 °C, verificamos que de 0 °C a 4 °C o volume diminui, pois o nível da água no recipiente baixa, ocorrendo contração. A partir de 4 °C, continuando o aquecimento, o nível da água sobe, o que significa aumento de volume, ocorrendo dilatação.

Portanto, a água apresenta comportamento excepcional, contraindo-se quando aquecida de 0 °C a 4 °C. O gráfico abaixo mostra aproximadamente como varia o volume da água com o aumento de temperatura.

Observe que a 4 °C a massa m de água apresenta volume mínimo.

A densidade (d = m/V) varia inversamente com o volume V. Então, de 0 °C a 4 °C a densidade da água aumenta, pois o volume diminui,nesse intervalo. Acima de 4 °C, o volume da água aumenta e, portanto, a densidade diminui. Sendo o volume da água mínimo a 4 °C, nessa temperatura ela apresenta sua densidade máxima. O gráfico abaixo mostra como a densidade da água varia com o temperatura: verifica-se que sua densidade máxima (0,99997 g/cm³ @ 1 g/cm³) ocorre rigorosamente à temperatura de 3,98 °C ( 4 °C).

O comportamento particular da água explica por que certos lagos se congelam na superfície, permanecendo líquida a água no fundo. No figura abaixo, está representado o corte de um lago. Quando caí a temperatura ambiente, a água se resfria por convecção: a água da superfície, mais fria, desce, pois tem maior densidade que a água do fundo, que, sendo mais quente, sobe.

No entanto, ao ser atingida a temperatura de 4 °C, a movimentação por diferença de densidade não é mais possível, pois a essa temperatura a água tem densidade máxima. Continuando o resfriamento do ambiente, a densidade da água superficial diminui, não podendo mais descer. Assim, chega a se formar gelo na superfície e a água no fundo permanece líquida. Contribui para esse fenômeno o fato de a água e o gelo serem isolantes térmicos. No diagrama abaixo, representa-se uma situação em que o ambiente está a - 5 °C e a água no fundo está a 4 °C.

Fonte:
RAMALHO JUNIOR, Francisco; FERRARO, Nicolau Gilberto; SOARES, Paulo Antônio de Toledo. Os fundamentos da física.Ed.MODERNA

A Dilatação e a Torre Eiffel

Torre Eiffel , 11 de julho

Esta é a  Torre Eiffel, que tem 324 m de altura (da base até as antenas no topo) e é toda de ferro, lembrei-me de um detalhe físico importante: a rigor, conforme a temperatura ambiente varia, a torre muda de altura por efeito da dilatação e da contração térmicas!

A  temperatura ambiente nesta época do ano está alta pois é verão no hemisfério norte. Mas no inverno a temperatura ambiente cai drasticamente. E com toda essa possível variação térmica a torre vai ter diferentes alturas por causa da amplitude térmica anual local.

Pesquisei e descobri que em Paris as temperaturas (médias) mínima e máxima ao longo de um ano podem ser T_min = -5^oC e T_máx = 35^oC. Logo, a amplitude térmica vale ΔT = 35 - (-5) = 35 + 5 = 40^oC. Sabendo que o coeficiente de dilatação térmica linear do ferro mede α = 1,1.10^-5 oC^-1, podemos estimar a variação ΔL no comprimento L da Torre pelo seguinte modelo de dilatação térmica linear:

Conclusão: a Torre Eiffel varia a sua altura em pouco mais de 14cm ao longo de um ano, ou seja, entre as temperaturas mínima e máxima de Paris. E é claro que esta mudança de altura da ordem de uma dezena  de centímetros é imperceptível frente ao tamanho da torre, da ordem de centenas de metros. Mas, se a dilatação não for levada em conta, pode gerar tensões perigosas para a integridade física da torre. Certamente, na construção da torre, isso foi pensado.

Detalhe da Torre Eiffel, 11 de julho

Mão não é Termômetro .

Ao tocar o granito, com menor temperatura, perdemos calor para ele

Dulcidio Braz Júnior

No sul do país o inverno está bem rigoroso. No interior de São Paulo a temperatura ambiente anda muito baixa, até mesmo durante o dia.

Ontem, ao final da tarde, fui fazer um café para "dar uma aquecida" e acompanhar um lanchinho de final de dia. Tenho na cozinha do meu apartamento um pequeno balcão de granito para lanches rápidos. Quando peguei a garrafa térmica, com corpo de plástico, sem querer encostei na pedra do balcão. E senti que o granito estava muito frio, bem mais frio do que o plástico da garrafa térmica.
Será mesmo verdade que a temperatua do granito era menor do que a temperatura do corpo plástico da garrafa térmica? Sem um termômetro para medir as temperaturas destes objetos, o teste foi feito apenas ao toque da mão. Prevaleceu, portanto, a minha sensação térmica que indicava que sim: o granito parecia bem mais gelado.
Mas lembrei-me dos bons conceitos físicos. E divido-os com você.

1. Pra começar, na natureza, os corpos de maior temperatura tendem a perder calor (ou energia térmica) para os corpos de menor temperatura. Assim, espontaneamente, corpos mais quentes esfriam enquanto que os mais frios esquentam. Logo, por conta disso, a tendência natural é que os corpos acabem atingindo a mesma temperatura. E numa mesma temperatura, não trocam mais calor e, portanto, mantém a temperatura estável e igual. Chamamos a esta situação de Equilíbrio Térmico. E a temperatura, neste caso, é conhecida como temperatura de equilíbrio.
   Lembre-se de que o calor passa espontaneamente do corpo de maior para o corpo de menor temperatura. É preciso haver uma diferença de temperaturas para que os corpos troquem calor espontaneamente.
2. É comum, num ambiente como a minha cozinha, os objetos trocarem calor entre si (e também com o ambiente, o tempo todo. Desta forma, é bastane razoável consideramos que, na média, os corpos neste ambientes estejam em equilíbrio térmico com o amtiente e, portanto, entre si.
   É claro que se você ligar um forno a gás na cozinha, teremos a liberação de energia térmica  pela a combustão que fará com que o interior do fogão fique mais aquecido do que o resto do ambiente. Da mesma forma, dentro da geladeira é comum a temperatura ser menor do que a do ambiente. Mas, tanto no forno quanto na geladeira, temos processos ativos internos que "gastam" energia para fugir do equilíbrio térmico com o ambiente. Espontaneamente, é sempre bem razoável considerarmos que todos os objetos da cozinha estão numa mesma temperatura. Da mesma forma, todos os objetos da sala ou do quarto ou em qualquer ambiente estão em equilíbrio térmico porque ficam o tempo todo trocando calor e buscando equilíbrio.

Com base nos coceitos acima, é fisicamente sensato imaginarmos que o granito do balcão estava em equilíbrio térmico com o ambiente bem como a garrafa térmica em equilíbrio com o ambiente e, portanto, com o granito. Logo, o granito (mais gelado ao toque) não tinha temperatura menor do que o corpo plástico da garrafa, embora eu pudesse jurar que sim!
Já de cara, vamos esquecer das mãos como termômetro, certo? Mão não mede nem sequer estima a temperatura. Mão não é termômetro! Nossa pele tem sensores térmicos, é fato. Mas estes se adaptam às situações externas e, portanto, não mantém um padrão fixo para servir de referência para uma medida confiável. Se você, por exemplo, estiver lavando louça com água fria da torneira, sem aquecimento, ao tocar no rosto de uma pessoa pode achar que ela está com febre. Na verdade, a sua pele se adaptou à situação de baixa temperatura da água e seu sistema nervoso "acha" que a pele da pessoa está mais quente do que de fato está. Ao contrário, se estivesse assando pão, em contato direto com o forno bem quente, tocando a mesma pessoa teria a sensação de que ela está mais gelada e não tem febre. Então insisto: mão não é termômetro!
Em segundo lugar, nossa temperatura corporal interna fica por volta dos 36,5^oC. Somos mamíferos. Na pele, externamente, a temperatuara é ligeiramente mais baixa (uns dois ou três graus a menos). Mas ainda assim costuma ser maior do que a temperatura ambiente média. Logo, quando tocamos qualquer objeto com temperatura menor do que a do nosso corpo, perdemos calor para ele. Este fluxo de calor para fora do nosso corpo indica para o nosso sistema nervoso que o objeto tocado está numa temperatura menor do que a nossa temperatura corporal. Certo? Só que tem um detalhe importante: cada objeto é feito de um material diferente; e cada material diferente conduz calor de uma forma diferente. Por isso classificamos materiais como bons ou maus condutores de calor. E mesmo dois bons ou dois maus condutores de calor podem ser diferentes entre si.
O granito é melhor condutor de calor do que o plástico. Assim, ao tocarmos no granito e no plástico, ambos à mesma temperatura ambiente, perdemos calor para os dois. Só que para o granito, melhor condutor, perdemos calor mais rapidamente. E para o plástico, pior condutor, perdemos calor mais lentamente. Nosso sistema nervoso "percebe" esta diferença de fluxo temporal de calor mas "acredita" que estamos perdendo calor mais rapidamente para o granito porque ele está mais frio do que o plástico e não porque ele é melhor condutor. Mais uma vez insisto que nossas mãos não são termômetros. E acabamos por sofrer esta "ilusão térmica" que na prática nos confunde quanto às temperaturas dos objetos.
Deu para entender esta sutileza da Termofísica?
É por isso que alguns tipos de piso (cerâmicos ou de pedra) são chamados de frios. São materiais que conduzem melhor o calor do que a média. Ao toque, sempre parecem estar mais frios do que o ambiente. No verão, é uma delícia andar descalço nestes pisos. Já no inverno, a experiência é cruel!

:: Alumínio X PET

O alumínio (metal) é melhor condutor de calor do que o PET (plástico)

Para encerrar nosso papo, um outro exemplo bem cotidiano e que aborda uma situação que talvez você já tenha vivido.
Ao chegar em casa, num dia de verão, louco para tomar algo bem gelado, você abre a geladeira e, para a sua felicidade, tem refirgerante! E você tem o mesmo refrigerante em duas opções: em lata e em garrafa PET. Na dúvida, você toca os dois com a mão para saber qual está mais gelado. E certamente decide abrir a latinha! Certo?
Agora que você já leu o meu texto, pergunto: é confiável afirmar que o refrigerante da lata está mais gelado que o refrigerante da garrafa PET?
Se você respondeu que não, entendeu o espírito da coisa! Veja:

• Mão como termômetro é um desastre, você já sabe. 
• E, se tanto a latinha quanto a garrafa foram colocadas na geladeira há bastante tempo, é muito provável que ambas estejam na mesma temperatura, na temperatua de equilíbrio térmico do sistema que é a temperatura interna da geladeira. 
• A condutibilidade térmica do metal é certamente diferente da contutibilidade térmica do plástico.

Conclusão: o alumínio (metal) da latinha, melhor condutor do que o PET (plástico) da garrafa, ao toque, vai roubar calor da sua mão mais rapidamente e por conta do maior fluxo de calor provocar a "ilusão térmica" de que a latinha está mais gelada, mesmo que ambas (latinha e garrafa) estejam na mesma temperatura!

Isso já foi tema de vestibular e até do ENEM. Se você não conhecia esta importante ideia física, agora conhece! Faça o teste com diversos objetos ao seu redor e, mesmo prevendo que estão em equilíbrio térmico com o ambiente e entre si, vai perceber que para as suas mãos (e o seu sistema nervoso) uns parecem mais gelados enquanto outros parecem mais frios. Além da ilusão Óptica, também podemos sofrer ilusão Térmica!