Descreva o que aconteceu com a segunda garrafa depois que a água congelou

Alguns anos atrás uma equipe de faxina realizava a limpeza interna de um vagão-tanque. Eles utilizavam o vapor-d’água para facilitar a remoção da sujeira interna. Ao final do expediente, a equipe de limpeza ainda não havia terminado o serviço, então os funcionários decidiram fechar as válvulas do vagão e ir embora. Ao chegarem na manhã seguinte, verificaram que as grossas paredes de aço do vagão estavam esmagadas, como se algum ser gigantesco tivesse pisado e amassado o vagão durante a noite.

Como as paredes do vagão amassaram?

O experimento proposto tem por finalidade explicar de forma simples o que aconteceu no vagão-tanque para que o mesmo ficasse amassado. A equação que nos fornece a resposta ao fato ocorrido é a seguinte:

pV = nRT

Vamos precisar de:

- água quente
- garrafa pet com tampa
- água fria

Realizando o experimento

Inicialmente, coloque um copo (200 ml) de água quente dentro da garrafa pet. Agite bem a água dentro da garrafa para que ela se aqueça uniformemente.

Após aquecer a garrafa, retire toda a água e feche rapidamente a garrafa para evitar a transferência de calor através da boca da garrafa.

Despeje um pouco de água fria da torneira sobre a garrafa e observe o que ocorre.

Resposta esperada

Quando fechamos a garrafa, isolamos o vapor-d’água, de temperatura maior que a do ar atmosférico, dentro da garrafa. O mesmo aconteceu com o vapor dentro do vagão-tanque. Como o ar está quente internamente, a agitação das moléculas é grande e, por consequência dessa agitação, elas precisam de maior volume.

Ao colocarmos a garrafa em contato com a água fria, houve troca de calor, o vapor interno esfriou, diminuindo a temperatura e a pressão interna. Com a diminuição da pressão interna, a pressão externa ficou maior, e atuou na garrafa, esmagando-a pelo fato de haver diferença de pressão.

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Quando uma substância é aquecida, ela recebe energia de forma que suas moléculas ficam agitadas, passando a ocupar um maior volume, ou seja, sofre dilatação. O oposto ocorre quando uma substância é resfriada, pois ela perde energia e suas moléculas tendem a ficar bem próximas umas das outras, causando uma contração no volume. Isso faz com que, normalmente, a matéria no estado sólido ocupe menos volume do que quando está no estado líquido.

Ao contrário do que acontece com a maioria das substâncias, a água possui um comportamento anômalo: quando é aquecida, entre os intervalos de 0 e 4º C, ela sofre contração e depois começa a dilatar-se, ou seja, quando a água está em seu estado sólido, ela tem volume maior do que no estado líquido nesse intervalo de temperatura. Esse comportamento irregular da água pode ser representado com o seguinte gráfico:

Se o volume da água diminui durante esse intervalo e sua massa é mantida constante, consequentemente a densidade da água, que é a razão entre a massa e o volume, será máxima quando a água estiver a 4ºC. Observe o gráfico:

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Mas qual é a razão para a dilatação anômala da água? Essa explicação é encontrada em sua constituição molecular. As moléculas da água são unidas por meio de ligações químicas denominadas Ligações de hidrogênio.

Quando a temperatura da água aumenta, acima de 0ºC, as ligações de hidrogênio começam a romper-se, ocorrendo uma aproximação entre as moléculas. Esse efeito supera a agitação térmica molecular, que causa o afastamento das moléculas e faz com que elas ocupem volume maior de tal forma que ocorre contração em seu volume.

Quando a temperatura supera os 4ºC, o número de ligações de hidrogênio já é bem reduzido. Dessa forma, começa a prevalecer o afastamento molecular, havendo, portanto, aumento em seu volume.

Esse comportamento irregular da água explica vários fenômenos naturais, entre eles o fato de o gelo flutuar na água, que é o que ocorre nas regiões muito frias, onde a superfície dos lagos fica congelada enquanto no fundo a água permanece líquida. Como a água tem densidade máxima a 4ºC, ela permanece no fundo, impossibilitando a convecção térmica, que é uma troca de calor em razão da diferença de densidade.

Por Mariane Mendes
Graduada em Física

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