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By Lucien Silvano Alhanati

 Física

Calor CAL

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Mudanças de Fase CAL05

Mudanças de estado da água CAL0506

Qual é o diagrama de fases da água ? CAL050601  

A água é uma substância que se funde com redução de volume e cujos pontos triplo e crítico possuem as características mostradas na tabela
  pressão temperatura
ponto triplo 6x10-3 atm 1x10-2 oC
ponto crítico 217 atm 374 oC

O diagrama de fases está mostrado na figura.

Em que condições a água passa do estado gasoso diretamente para o estado sólido ? CAL050602

Quando a pressão e a temperatura forem  inferiores às do ponto triplo, ou seja, pressão  inferior à 0,006 atm ou 4,56 mm Hg e temperatura inferior à 0,01 oC

 Como é formada a neve ? CAL050603

A neve é constituída por cristais de gelo. Existem várias teorias que explicam as formas destes cristais cujo estudo foge ao nível deste trabalho que estamos realizando.
A formação da neve por resfriamento é explicada pela sublimação do vapor da água à pressões muito baixas, menores que 4,56 mm Hg e temperaturas inferiores a 0,01 oC.

Como é formada a chuva ? CAL050604

A formação da chuva de um modo geral é um fenômeno meteorológico complexo fora do nível de nosso trabalho. As chuvas convectivas, ou seja, as chuvas obtidas por resfriamento, correspondem à condensação do vapor de água atmosférico realizada quando a pressão parcial do vapor é superior à do ponto triplo (4,56 mm Hg).
O vapor no estado representado por A, resfriado isobaricamente é transformado em água líquida no estado B

Como é formada a chuva de granizo ? CAL050605

O resfriamento continuado do vapor de água atmosférico à pressões parciais superiores à do ponto triplo(ponto A), provoca inicialmente uma condensação (ponto B) formando a chuva líquida comum, em seqüência ocorre uma solidificação (ponto C) dando origem ao granizo.

 O que é estado higrométrico do ar ou umidade relativa ? CAL050606

É a razão  e  entre a pressão parcial  do vapor de água na atmosfera e a pressão máxima  F  do vapor de água na temperatura ambiente.

e = f / F

Exemplificando.
Quando afirmamos que o estado higrométrico do ar ou a umidade relativa é 0,8, queremos informar que a pressão parcial do vapor de água ambiente é 0,8 ou 80% da pressão máxima ou seja da pressão que tornaria o ambiente saturado.

A velocidade de evaporação depende do estado higrométrico ? CAL050607

Sim.
Sabemos que a velocidade de evaporação v é proporcional à F - f 

 v = C.(F - f)

onde C é uma constante de proporcionalidade. Como e = f / F >>> f = e.F então v = C.(F - eF) ou

v = C.F.(1 - e)

A relação nos mostra que a velocidade de evaporação diminui quando o estado higrométrico aumenta e se anula quando e = 1, isto é, quando o ambiente está saturado de vapor de água.
Em termos práticos, a velocidade de evaporação é elevada em ambientes secos (baixa umidade relativa do ar) e baixa em ambientes úmidos (alta umidade relativa do ar).

 

O gráfico da figura mostra a relação entre a velocidade de evaporação v e a umidade relativa do ar e.

O conforto térmico depende da velocidade de evaporação do suor ? CAL050608

Sim.
O nosso corpo é uma máquina térmica que necessita ser refrigerada para manter a sua temperatura estável num determinado valor que corresponda a uma sensação de bem estar.
A evaporação do suor retira calor de nosso corpo e corresponde ao principal fator determinante da temperatura corporal.
Uma evaporação excessiva retira muito calor de nosso corpo provocando um abaixamento da temperatura corporal e uma sensação de frio e de desconforto. Quando estamos com a pele molhada num local de ventilação intensa sentimos frio devido a evaporação muito rápida.
Uma evaporação deficiente retira pouco calor do nosso corpo, que não sendo refrigerado convenientemente, aumenta de temperatura, acarretando a sensação de calor e de desconforto.

O que são as câmaras úmidas ? CAL050609

São câmaras saturadas de vapor de água, ou seja câmaras onde o estado higrométrico é igual a 1, onde são armazenados corpos úmidos que não podem secar.
Exemplificando.
- As câmaras úmidas são usadas para armazenar corpos de prova de concreto. O concreto aumenta a sua resistência devido a uma hidratação de seus componentes. Como esta hidratação é lenta o bloco de concreto deve permanecer úmido durante alguns dias. Para não haver a secagem, que interromperia a hidratação o bloco é guardado numa câmara úmida.
- As câmaras úmidas são usadas também para armazenar pastas que serão usadas na fabricação de peças de porcelana. As razões e os objetivos deste armazenamento são os mesmos do concreto.
- As massas comestíveis também são guardadas por algum tempo sem secar para permitir a ação dos fermentos. As massas são guardadas em recipientes fechados, que funcionam como câmaras úmidas, ou mesmo envolvidas por um pano úmido.
- A cura dos queijos ou seja a sua maturação, principalmente quando há o desenvolvimento de mofos inoculados na sua massa para acentuar o sabor, necessita de umidade elevada. Estes queijos são mantidos por vários dias em câmaras úmidas. Os queijos da região de Roquefort na França são mantidos em cavernas naturais úmidas que propiciam o desenvolvimento de um fungo natural das cavernas e que conferem a estes queijos um sabor que os tornaram famosos mundialmente.

Como varia a pressão máxima do vapor de água em função da temperatura ? CAL050610

A pressão máxima F do vapor de água cresce com a temperatura. A tabela abaixo, obtida experimentalmente, mostra como ocorre esta variação. 
T (oC) F (mm Hg)
0 4,6
5 5,6
10 8,9
15 12,6
20 17,5
40 55,1
60 150
80 555
100 760
120 1490
140 2710

O gráfico da figura ainda que fora de escala nos permite avaliar esta variação

O que ponto de orvalho ou temperatura de orvalho ? CAL050611

Ponto de orvalho ou temperatura de orvalho de um ambiente é a temperatura para a qual a pressão do vapor de água existente no ambiente seria máxima.

Exemplo.
Considere um ambiente a 25 oC onde a pressão do vapor de água é 12,6 mm Hg.
A tabela da pressão máxima do vapor de água em função da temperatura, mostrada ao lado nos informa que 12,6 mm Hg é a pressão máxima à temperatura de 15 oC, logo esta temperatura é a temperatura de orvalho.

T (oC) F (mm Hg)
0 4,6
5 5,6
10 8,9
15 12,6
20 17,5
40 55,1
60 150
80 555
100 760
120 1490
140 2710

O que é o orvalho ? CAL050612

Vamos considerar uma atmosfera onde a pressão do vapor de água no fim da tarde seja igual a f.
Durante a noite a superfície das folhas dos vegetais perdem calor por irradiação térmica e não recebem calor do Sol, o que acarreta um resfriamento das folhas.
Quando a temperatura das folhas for tal que a pressão máxima do vapor de água F for igual à pressão f existente, então o ambiente que envolve as folhas estará saturado de vapor de água.
A partir deste instante, continuando o resfriamento das folhas, o vapor de água que as envolve inicia uma condensação sobre as folhas par diminuir a pressão do vapor uma vez que esta não pode ser maior que a máxima.
Esta condensação sobre as folhas é chamada de orvalho e a temperatura que corresponde ao início da condensação é a temperatura de orvalho.

Qual é a importância do orvalho na natureza ? CAL050613

A condensação do vapor de água (orvalho) existente nos poros do solos agriculturável, que ocorre durante a noite, promove uma irrigação diária das plantas mesmo quando não há chuva.

A letra da canção que diz "o orvalho vem caindo, vai molhar o meu chapéu" está errada fisicamente ? CAL050614

Sim.
Trata-se de uma licença poética uma vez que o orvalho não cai, ele se forma sobre as superfícies que se resfriam ? 

O que é a geada ? CAL050615

É o resultado da solidificação do orvalho, que ocorre com o resfriamento continuado das superfícies pela irradiação térmica.

É correto afirmar "caiu geada no campo" ? CAL050616

Não.
Como a geada é a solidificação do orvalho ela também não cai.

Como evitar a formação da geada ? CAL050617

A geada pode ser evitada dificultando-se a irradiação térmica para o espaço. Uma das maneiras bastante eficiente é envolver os campos com fumaça natural ou artificial.

Como é possível calcular o estado higrométrico de um ambiente, conhecendo a temperatura ambiente e a temperatura de orvalho ? CAL050618

Por exemplo, num ambiente à 20oC a temperatura de orvalho é 15oC.
Sabemos que o estado higrométrico é e = f / F20.
Sabemos ainda que, se a temperatura de orvalho é 15oC a pressão de vapor no ambiente f = F15.
O estado higrométrico será então e = F15 / F20
A tabela da pressão máxima do vapor de água nos informa que 
F15 = 12,6mmHg e F20 = 17,5mmHg
O estado higrométrico será  e = 12,6 / 17,5 >>> e = 0,72 
T (oC) F (mm Hg)
0 4,6
5 5,6
10 8,9
15 12,6
20 17,5
40 55,1
60 150
80 555
100 760
120 1490
140 2710

Como varia a temperatura de ebulição da água em função da pressão ambiente ? CAL050619

Sabemos que a ebulição ocorre numa temperatura em que a pressão máxima do vapor de água é igual à pressão externa. Desta maneira a tabela da pressão máxima do vapor de água em função da temperatura é a tabela da temperatura de ebulição em função da pressão exterior.
pressão exterior 
(mmHg)
pressão máxima 
(mmHg)
temperatura de ebulição (oC)
4,6 4,6 0
5,6 5,6 5
8,9 8,9 10
12,6 12,6 15
17,5 17,5 20
55,1 55,1 40
150 150 60
555 555 80
760 760 100
1490 1490 120
2710 2710 140

A temperatura de ebulição da água depende da altitude do local onde está a água ? CAL050620

Sim.
A pressão atmosférica depende da altitude. Como a temperatura de ebulição varia com a pressão externa, ela vai depender da altitude. A tabela abaixo nos mostra esta correspondência.
altitude 
(m)
pressão atmosférica (mmHg) temperatura de ebulição (oC)
0 760 100
500 720 98
1000 670 97
1500 640 95
2000 600 93
2500 560 92

A tabela abaixo nos mostra a temperatura de ebulição da água em algumas localidades.

localidade altitude 
(m)
temperatura de ebulição (oC)
Rio de Janeiro 0 100
Cidade do México 2240 93
Lhasa 3676 87
Monte Branco 4810 85
Monte Everest 8848 72

O tempo de cozimento dos alimentos depende da pressão que atua sobre eles ? CAL050621

Sim.
A experiência nos mostra que o tempo de cozimento de um alimento diminui sensivelmente quando a temperatura aumenta.
Sabemos que a temperatura de ebulição da água onde o alimento é cozido aumenta quando a pressão aumenta.
Podemos concluir então que aumentando a pressão, aumenta a temperatura de ebulição que acarreta uma redução no tempo de cozimento.

Como funciona a panela de pressão ? CAL050622

A panela de pressão diminui o tempo de cozimento aumentando a pressão sobre a água onde o alimento é cozido.
O gráfico da figura (fora de escala) nos mostra estas variações para uma determinada quantidade de um alimento.

Exemplos:
- Para uma pressão de 625mmHg, a temperatura de cozimento é 90oC e o tempo de cozimento é 140min.
- Para uma pressão de 1040mmHg, a temperatura de cozimento é 110oC e o tempo de cozimento é 10min.

O que são auto-claves ?  CAL050623

São grandes panelas de pressão industriais que utilizando pressões elevadas aumentam a temperatura de ebulição.
As auto-claves são usadas para vários fins, entre eles, a esterilização de alimentos, de medicamentos, de instrumentos cirúrgicos e roupas utilizadas em hospitais.

É possível desidratar um alimento sem aquecimento ?  CAL050624

Sim.
Reduzindo a pressão é possível vaporizar a água contida no alimento mantido em temperaturas reduzidas.
A tabela de pressão máxima do vapor de água nos mostra que reduzindo a pressão sobre o alimento a 17,5mmHg a água contida no alimento se vaporiza a uma temperatura de 20oC
T (oC) F (mm Hg)
0 4,6
5 5,6
10 8,9
15 12,6
20 17,5
40 55,1
60 150
80 555
100 760
120 1490
140 2710

Por que os astronautas usam roupas pressurizadas quando se movimentam fora de suas naves ?  CAL050625

No espaço fora das naves a pressão é nulo. Num ambiente de pressão nula todos os líquidos orgânicos seriam vaporizados instantaneamente rompendo os tecidos, é como se o corpo do astronauta explodisse. 

O que é a calefação ? CAL050626

É uma forma especial de vaporização que ocorre quando um líquido e particularmente a água aproxima-se de uma superfície superaquecida. 
Quando uma gota de água cai sobre uma superfície polida superaquecida, constatamos que a gota é mantida afastada da superfície realizando uma vaporização relativamente lenta.

Quais são as principais características da calefação ? CAL050627

O líquido em calefação não entra em contato com a superfície superaquecida porque está apoiado num "colchão" de vapor a alta pressão, como mostra a figura.

O aquecimento do líquido em calefação é muito pequeno, uma vez que os líquidos de um modo geral e a água em particular são diatérmicos, isto é, o calor irradiado passa por eles sem ser absorvido.

Por que a água dos sistemas de refrigeração dos motores de combustão interna deve ser mantida sob pressão elevada ? CAL050628

Para evitar a calefação.
Quando a água de refrigeração circula no interior do bloco do motor ela deve absorver calor para promover a refrigeração.
Havendo calefação a água só recebe calor irradiado que passa por ela sem aquece-la e  e a refrigeração não se processa.

Água em calefação

Quando a água é mantida sob pressão ela é empurrada de encontro às paredes do bloco do motor e havendo contato a água absorve calor promovendo a refrigeração.

Não há calefação da água.

A temperatura de um bloco de gelo é inferior a 0oC e a pressão é normal, é possível fundir este gelo sem variar a sua temperatura ? CAL050629

Sim.
Para fundir o bloco de gelo sem variar a temperatura basta diminuir a temperatura de fusão aumentando a pressão.
O diagrama de fases da água mostra um bloco de gelo no estado representado pelo ponto A.
Aumentando a pressão e mantendo a temperatura constante o gelo evolui até o estado representado pelo ponto B onde estará na fase líquida.

Por que motivo as geleiras escorregam e descem as montanhas ? CAL050630

Quando a espessura da geleira aumenta, cresce o seu peso e a pressão na superfície de contato entre a geleira e a encosta da montanha. O aumento da pressão reduz a temperatura de fusão do gelo ocasionando a sua fusão. A camada de água líquida resultante da fusão diminui muito o atrito entre a geleira e a encosta propiciando o deslizamento.

Quando pressionamos um bloco de gelo sobre outro e logo após retiramos a pressão constatamos que os blocos ficam soldados. Como explicar tal fato ? CAL050631

Quando aumentamos a pressão entre as superfícies de contato entre os blocos, provocamos a fusão do gelo devido ao abaixamento da temperatura de fusão.
Ao retirarmos a pressão a temperatura de fusão volta ao valor primitivo e a água líquida se solidifica soldando os blocos.
Exemplificando.
Vamos considerar dois blocos de gelo na temperatura de - 1oC, na pressão normal sendo a temperatura de fusão 0oC. Pressionando os blocos um sobre o outro o aumento de pressão reduz a temperatura de fusão para - 2oC. Como a temperatura é - 1oC superior a - 2oC, o gelo passa para o estado líquido.
Retornando a pressão ao valor normal a temperatura de fusão volta a 0oC e a água a - 1oC passa para o estado sólido, soldando os blocos de gelo. 

Como funcionam as torres de resfriamento ? CAL050632

As torres de resfriamento são usadas para resfriar gases ou líquidos quentes que circulam no interior de tubulações. O resfriamento das tubulações é realizado quando deixamos cair sobre as tubulações água dividida em gotas como uma chuva, como mostra a figura.

Usamos a água em virtude de seu calor de vaporização ser bastante elevado da ordem de 600cal/g. 
A água é usada em forma de gotas de modo a aumentar a sua superfície de contato com o meio exterior acarretando uma elevada velocidade de evaporação.
A água, desta forma, ao se evaporar retira uma grande quantidade de calor por unidade de tempo promovendo um resfriamento bastante eficiente. 


Calor