A água na natureza

A água existe na natureza nos seus três estados de agregação: sólido, líquido e na forma de vapor d'água. Estima-se que quase 3/4 da superfície da Terra estejam recobertos por água; as nuvens são formadas por pequenas gotas d'água, o ar possui grande quantidade de vapor d'água que varia de lugar para lugar, o sangue dos animais e a seiva dos vegetais são, em grande parte, formados de água. Quase 60% do peso total de um homem são constituídos de água. A proporção de água existente nas coisas vivas é muito grande, como pode ser observado no quadro:

Corpo humano
60%
Maçã
86%
Peixe-boi
62%
Repolho
90%
Soda cristalina
63%
Pepino
96%
Batata inglesa
75%
Melancia
98%
Leite de vaca
85%
Medusa
99%

Á agua em seus estados na natureza...

liquido sólido gasoso

O organismo dos animais encerra água em proporções que atingem até 70%, as plantas terrestres, até 75%; as plantas aquáticas, até 95%; alguns animais aquáticos, até 99%; e os corpos aparentemente secos, como os minerais, podem possuiu alguma quantidade de água na sua com- posição. Esse é o caso da soda cristalina, que apresenta até 63% do peso em água, e o sulfato de cobre quando azul, que encerra até 36% de água.

Existe uma grande quantidade de água também debaixo do solo, conhecida como água subterrânea. Dependendo do local, formam-se verdadeiros rios subterrâneos, conhecidos como lençóis d'água ou freáticos. Em muitos locais são feitos poços ou perfurações no solo para se captar esta água.

A maior parte da água (cerca de 97% de toda a água) que existe no planeta está nos oceanos e mares. Conhecemos esta água como água salgada, porque contém substâncias chamadas sais.

Quando um rio encontra o mar, as águas se misturam, é o que ocorre em áreas de mangue e estuários. Esta água não é doce nem salgada, mas sim água salobra. Os organismos que aí vivem são adaptados às condições deste ambiente. Observamos nesta foto as raízes conhecidas como "escoras", que sustentam as árvores no solo. Os mangues são característicos das áreas tropicais.

Mangue.

Estados físicos da matéria

Fases ou estados da matéria são conjuntos de configurações que objetos macroscópicos podem apresentar. O estado físico tem a relação com a velocidade do movimento das partículas de uma determinada substância. Canonicamente e segundo o meio em que foram estudados, são três os estados ou fases considerados: sólido, líquido e gasoso. Outros tipos de fases da matéria, como o estado pastoso ou o plasma são estudados em níveis mais avançados de física. As características de estado físico são diferentes em cada substância e depende da temperatura e pressão na qual ela se encontra.

Os estados físicos

Há muitas discussões sobre quantos estados da matéria existem, porém as versões mais populares atualmente são de que a matéria somente tem três estados: sólido, líquido e gasoso. Mas há também outros que, ou são intermediários ou pouco conhecidos. Por exemplo: os vapores, que nada mais são uma passagem do estado líquido para o gasoso na mesma fase em que o gás, porém quando está em estado gasoso, não há mais possibilidade de voltar diretamente ao estado líquido; já quando em forma de vapor, pode ir ao estado líquido, desde que exista as trocas de energia necessárias para tal fato. Por isto que diz-se comumente "vapor d´água" e não "água gasosa".
No estado sólido considera-se que a matéria do corpo mantém a forma macroscópica e a posição relativa de sua partícula. É particularmente estudado nas áreas da estática e da dinâmica.
No estado líquido, o corpo mantém a quantidade de matéria e aproximadamente o volume; a forma e posição relativa da partículas não se mantém. É particularmente estudado nas áreas da hidrostática e da hidrodinâmica.
No estado gasoso, o corpo mantém apenas a quantidade de matéria, podendo variar amplamente a forma e o volume. É particularmente estudado nas áreas da aerostática e da aerodinâmica.
O Plasma (ou quarto estado da matéria) está presente principalmente nas "TVs de plasma". Neste estado há uma certa "pastosidade" da substância, que permite uma maior e melhor resposta quando recebe informações decodificadas pelos feixes de luz emitidos pelos componentes da TV. É sabido que qualquer substância pode existir em três estados: sólido, líquido a gasoso, cujo exemplo clássico é a água que pode ser gelo, líquido a vapor. Todavia há muito poucas substâncias que se encontram nestes estados, que se consideram indiscutíveis a difundidos, mesmo tomando o Universo no seu conjunto. É pouco provável que superem o que em química se considera como restos infinitamente pequenos. Toda a substância restante do universo subsiste no estado denominado plasma.
O Condensado de Bose-Einstein é o quinto estado da matéria, e é obtido quando a temperatura chega a ser tão baixa que as moléculas entram em colapso.
O sexto estado da matéria, o Condensado Fermiônico , acontece quando certa materia é aquecida a ponto de suas moleculas ficarem completamente livres.

Mudanças de Fase

Como a cada uma destas fases de uma substância corresponde determinado tipo de estrutura corpuscular, há vários tipos de mudanças de estruturas dos corpos quando muda a fase, ou de estado de aglomeração, da substância que são feitos. A mudança de fases ocorre conforme o diagrama de fases da substância. Mudando a pressão ou a temperatura do ambiente onde um objeto se encontra, esse objeto pode sofrer mudança de fase.
Fusão - mudança do estado sólido para o líquido.
Vaporização - mudança do estado líquido para o gasoso. Existem três tipos de vaporização:
Evaporação - as moléculas da superfície do líquido tornam-se gás em qualquer temperatura.
Ebulição - o líquido está na temperatura de ebulição e fica borbulhando, recebendo calor e tornando-se gás.
Calefação - o líquido recebe uma grande quantidade de calor em período curto e se torna gás rapidamente.
Condensação - mudança de estado gasoso para líquido (inverso da Vaporização).
Solidificação - mudança de estado líquido para o estado sólido (inverso da Fusão).
Sublimação - um corpo pode ainda passar diretamente do estado sólido para o gasoso.
Re-sublimação - mudança direta do estado gasoso para o sólido (inverso da Sublimação).

A Hidrostática estuda os fluidos em equilíbrio.

1.1 Massa específica ou densidade absoluta
A massa específica é uma característica da substância que constitui o corpo e é obtida pelo quociente entre a massa e o volume do corpo, quando este é maciço e homogêneo. A unidade de massa específica no SI é o kg/m3, mas também é muito utilizada a unidade g/cm3.

1 g/cm3 = 1000 kg/m3.

Importante
Densidade e densidade absoluta são grandezas físicas diferentes. Observe que podemos obter qualquer das duas grandezas utilizando a fórmula acima, porém, só teremos a densidade absoluta ou massa específica se o corpo em questão for maciço e homogêneo, de outra forma, o que estaremos obtendo é uma característica do corpo chamada densidade.
- Massa específica ou densidade absoluta: característica da substância que compõe o corpo.
- Densidade: caracteristica do corpo.

1.2 Pressão
Pressão é uma grandeza física obtida pelo quociente entre a intensidade da força (F) e a área (S) em que a força se distribui.

No caso mais simples a força (F) é perpendicular à superfície (S) e a equação fica simplificada
p=F/S

A unidade de pressão no SI é o N/m2, também chamado de Pascal.
Relação entre unidades muito usadas:
1 atm = 760 mmHg = 105N/m2.

1.3 Pressão de uma coluna de líquido
A pressão que um líquido de massa específica m, altura h, num local onde a aceleração da gravidade é g exerce sobre o fundo de um recipiente é chamada de pressão hidrostática e é dada pela expressão:

Se houver dois ou mais líquidos não miscíveis, teremos:

1.4 Teorema de StevinA diferença de pressão entre dois pontos, situados em alturas diferentes, no interior de um líquido homogêneo em equilíbrio, é a pressão hidrostática exercida pela coluna líquida entre os dois pontos. Uma coseqüência imediata do teorema de Stevin é que pontos situados num mesmo plano horizontal, no interior de um mesmo líquido homogêneo em quilíbrio, apresentam a mesma pressão.

Se o ponto A estiver na superfície do líquido, a pressão em A será igual à pressão atmosférica.
Então a pressão p em uma profundidade h é dada pela expressão:

1.5 Princípio de Pascal
A pressão aplicada a um líquido em equilíbrio se transmite integralmente a todos os pontos do líquido e das paredes do recipiente que o contém.

Prensa hidráulica

1.6 Empuxo
Empuxo é uma força vertical, orientada de baixo para cima, cuja intensidade é igual ao peso do volume de fluido deslocado por um corpo total ou parcialmente imerso.

Esfera A) E = P
A esfera A está em repouso, flutuando na superfície do líquido. Isto acontece quando a densidade do corpo é menor que a densidade absoluta do líquido e, neste caso, o empuxo recebido pelo corpo é igual ao seu peso.

Esfera B) E = P
A esfera B está em repouso e totalmente imersa no líquido. Isto acontece quando a densidade do corpo é igual à densidade absoluta do líquido e, neste caso, o empuxo recebido pelo corpo é igual ao seu peso.

Esfera C) E + N = P
A esfera C está em repouso, apoiada pelo fundo do recipiente. Isto acontece quando a densidade do corpo é maior que a densidade absoluta do líquido e, neste caso, o empuxo é menor que o peso do corpo.

1.7 Peso aparente
É a diferença entre o peso do corpo e o empuxo que ele sofreria quando imerso no fluido.

Calor Específico

- O que é calor específico? Algumas substâncias são mais difíceis de se aquecerem do que outras. Se você coloca uma vasilha com água sôbre uma chama e um bloco de ferro sôbre uma chama igual, o ferro fica em pouco tempo tão quente que faz ferver qualquer gôta de água que nêle respingue. A água da vasilha continuará tão fria que você pode mergulhar nela seus dedos (Fig. 15-2). O ferro necessita de menos calor para elevar sua temperatura do que a água. Nós dizemos que o ferro tem menor calor específico. Calor específico de uma substância é a quantidade de calor necessária para elevar de um grau a temperatura da unidade de pêso dessa substância.

Fig. 15-2 - O que se aquece mais rapidamente, a água ou o ferro? O calor específico da água é de 1 caloria por grama por grau centígrado. Para ter uma boa idéia sôbre os calores específicos de diferentes metais aqueça pesos iguais de cada um dêles em água fervente e deixe-os cair num grande bloco de gêlo. O metal de mais calor específico fundirá maior quantidade de gêlo, afundando-se mais (Fig. 15-

Fig. 15-3 - Um grama de alumínio (AI) perde mais calor esfriando de 100oC e funde mais gêlo do que um grama de níquel (Ni) ou cobre (Cu). A tabela seguinte dá os calores específicos de diversas substâncias:

A quantidade de calor, Q, necessária para elevar a temperatura de um corpo depende de três fatôres: seu pêso, P, seu calor específico, c, e seu aumento de temperatura, (t2 - t1), isto é

Exemplo 1: Que quantidade de calor é necessária para elevar de 200C a 800C a temperatura de 200g* de água? Pêso da água (P) - 200g*; temperatura inicial = 200C; temperatura final = 800C. Determine a quantidade de calor (Q).

Variação de temperatura:
Exemplo 2: Que quantidade de calor é necessária para elevar de 200C a 1400C a temperatura de um cinzeiro de ferro pesando 800g*? Pêso do cinzeiro = 800g*; temperatura inferior = 200C; temperatura superior = 1400C. Determine o calor necessário.

Calor latente

Mudanças de fase - Calor latente:
Vimos que quando cedemos calor a um corpo, este aumentará sua tem temperatura. Porém esse calor pode ser utilizado para não aumentar a temperatura e sim para modificar o estado físico do corpo. Tal calor é denominado calor latente . A mudança de estado pode ser:

O calor latente de mudança de estado de uma substância é igual à quantidade o calor que devemos ceder ou retirar de um grama da substância para que ela mude de estado. Q = mL em que: L é o calor latente da substância. A quantidade de calor latente L pode ser positiva ou negativa conforme o corpo receba ou ceda calor. Em nosso curso adotaremos: Calor latente de fusão do gelo (a 0ºC) L f = 80cal/g Calor latente de solidificação da água (a 0ºC) L s = -80cal/g Calor latente de vaporização da água (a 100ºC) L v = 540cal/g Calor latente de condensação do vapor (a 100ºC) L c = -540cal/g Exemplo 1: Um bloco de gelo de massa 600 gramas encontra-se a 0ºC. Determinar a quantidade de calor que se deve fornecer a essa massa para que se transforme totalmente em água a 0ºC. Dado L f = 80 cal/g Q = m L s Þ Q = 600 . 80 Q = 48000cal Q = 48kcal Resposta: Devemos fornecer 48kcal. - Propagação do calor: Para o calor ser transmitido temos os seguintes processos: - Condução : A condução é um processo de transmissão de calor que ocorre, por exemplo, através de uma barra metálica.

Neste processo, os átomos do metal que estão em contato coma fonte térmica recebem calor desta fonte e aumentam sua agitação térmica. Devido a isto, colidem com os átomos vizinhos, transmitindo-lhes agitação térmica. Assim, de partícula para partícula,a energia térmica flui ao longo da barra,aquecendo-a por inteiro.

Portanto condução é o processo de transmissão de calor de partícula para partícula. Obs. As partículas apenas aumentam a vibração. Elas não se deslocam. - Convecção : A convecção é uma forma de transmissão de calor que ocorrem fluidos,ou seja,em líquidos ou gases, porém, juntamente com transporte de matéria. Por exemplo, o ar quente é menos denso que o ar frio, portanto ele tende a subir devido a pressão. Ex.: Congelador na parte de cima da geladeira.

OBS.: Recipientes adiabáticos são aqueles que não deixam o calor se propagar. Ex.: garrafa térmica, isopor, etc. (Olimpíada Brasileira de Física-2000) – Dispõe-se de 2 copos contendo iguais quantidades de água à temperatura ambiente. Em cada um dos copos coloca-se uma pedra de gelo de mesma massa: num deles o gelo é colocado flutuando livremente e o outro o gelo é preso no fundo do copo por uma rede de plástico. Deixam-se os copos em repouso. Pode-se afirmar que: • As duas pedras de gelo vão derreter ao mesmo tempo. • A pedra de gelo contida no fundo do copo derreterá mais rapidamente que a outra. • Nos dois casos, as pedras de gelo pararão de derreter quando a temperatura da mistura atingir 4ºC. • A pedra de gelo que flutuava derreterá mais rápido que a pedra contida no fundo do copo. • Certamente a temperatura final nos dois corpos será de 0ºC. - Radiação ou Irradiação : É uma forma de transmissão de calor através de ondas eletromagnéticas.Dois corpos em temperatura diferentes tendem ao equilíbrio térmico, mesmo que entre eles não haja nenhum meio material. Ex.: Sol esquentando a Terra (existe vácuo entre eles).

Estufa: Numa estufa, a radiação luminosa do sol atravessa o vidro e é absorvida pelos objetos que estão no interior, aquecendo-os. Em seguida,os objetos emitem radiação do infravermelho, mas este é barrado pelo vidro. Assim, é pelo fato de o vidro ser transparente à radiação luminosa e opaco ao infravermelho que as estufas conservam uma temperatura superior à do meio externo. (O mesmo fenômeno ocorre quando um automóvel, com os vidros fechados, fica exposto ao sol.) Efeito Estufa: De dia a radiação solar aquece a Terra, que, à noite, é resfriada pela emissão da radiação do infravermelho. Esse resfriamento é prejudicado quando há excesso de gás ;carbônico (CO 2 ) na atmosfera, pois o CO 2 é transparente à luz, mas opaco ao infravermelho. Nos últimos anos,a quantidade de gás carbônico na atmosfera tem aumentado ;consideravelmente em razão da queima de combustíveis fósseis (petróleo e carvão). Se essa demanda continuar crescendo no ritmo atual,em meados do século XXI a quantidade de CO 2 na atmosfera, além de trazer outras conseqüência drásticas, provocará um aumento da temperatura média da Terra, que hoje está em torno de 18ºC. Tal aquecimento poderá provocar o derretimento de parte do gelo acumulado nos pólos e elevar o nível do mar em algumas dezenas de metros.

- Princípio da igualdade das trocas de calor: Quando dois ou mais corpos com temperaturas diferentes são colocados próximos um do outro ou em contato, eles trocam calor entre si até atingir o equilíbrio térmico. Se o sistema não trocar energia com o ambiente, isto é, for termicamente isolado, teremos:

Note que a quantidade de calor recebida por A é igual, em valor absoluto, à quantidade de calor recebida por B. Se tivermos n corpos, teremos: Q 1 + Q 2 + Q 3 + ... Q n = 0 A quantidade de calor recebida por uns é igual à quantidade de calor cedida pelos outros. Quando colocamos água quente em um recipiente, a água perde calor e o recipiente ganha até que a água e o recipiente fiquem com a mesma temperatura, isto é, até que atinjam o equilíbrio térmico. Se não houvesse troca de calor com a ambiente, a quantidade de calor cedida pela água deveria ser igual à quantidade de calor recebida pelo recipiente. Havendo troca de calor com o ambiente, a quantidade de calor cedida pela água é igual à soma das quantidades de calor absorvidas pelo recipiente e pelo ambiente. Os recipientes utilizados para estudar a troca de calor entre dois ou mais corpos são denominados calorímetros.
Os calorímetros não permitem perdas de calor para o meio externo, isto é, são recipientes termicamente isolados.
Exemplo 1: Colocam-se 800g de ferro a 90ºC em um recipiente contendo 600 gramas de água a 18ºC. Sabendo-se que o calor absorvido pelo recipiente, calcular a temperatura do equilíbrio térmico.
Resolução:
Formando a tabela:
Massa (m)
Calor Específico (c)
Temperatura Final (tf)
Temperatura Inicial (ti)
Ferro
800
0,114
t
90
Água
600
1
t
18Q ferro + Q água = 0 mc (t f - t i ) + mc (t f - t i ) = 0 800 . 0,114 (t - 90) + 600 . 1(t - 18) = 0 91,2t - 8208 + 600t - 10800 = 0 691,2t = 19008 t = 27,5ºC

Termodinâmica

A Termodinâmica é a parte da Termologia (Física) que estuda os fenômenos relacionados com trabalho, energia, calor e entropia, e as leis que governam os processos de conversão de energia. Apesar de todos nós termos um sentimento do que é energia, é muito difícil elaborar uma definição precisa para ela. Na verdade a Física aceita a energia como conceito primitivo, sem definição, ou seja, apenas caracterizando-a.

A termodinâmica permite determinar a direção na qual vários processos físicos e químicos irão ocorrer. Também permite determinar as relações entre as diversas propriedades de uma substância. Contudo ela não trabalha com modelos da microestrutura da substância, e não é capaz de fornecer detalhes dela, mas uma vez que alguns dados sejam conhecidos, através do método da termodinâmica clássica, outras propriedades podem ser determinadas.

A termodinâmica é baseada em leis estabelecidas experimentalmente:
A Lei Zero da Termodinâmica determina que, quando dois corpos têm igualdade de temperatura com um terceiro corpo, eles têm igualdade de temperatura entre si. Esta lei é a base para a medição de temperatura.
A Primeira Lei da Termodinâmica fornece o aspecto quantitativo de processos de conversão de energia. É o princípio da conservação da energia e da conservação da massa, agora familiar, : "A energia do Universo é constante".
A Segunda Lei da Termodinâmica determina o aspecto qualitativo de processos em sistemas físicos, isto é, os processos ocorrem numa certa direção mas não podem ocorrer na direção oposta. Enunciada por Clausius da seguinte maneira: "A entropia do Universo tende a um máximo".
A Terceira Lei da Termodinâmica estabelece um ponto de referência absoluto para a determinação da entropia, representado pelo estado derradeiro de ordem molecular máxima e mínima energia. Enunciada como "A entropia de uma substância cristalina pura na temperatura zero absoluto é zero". É extremamente útil na análise termodinâmica das reações químicas, como a combustão, por exemplo.

HIDROSTÁTICA: Pressão Atmosférica e a Experiência de Torricelli

A atmosfera terrestre é composta por vários gases, que exercem uma pressão sobre a superficie da Terra. Essa pressão, denominada pressão atmosférica, depende da altitude do local, pois à medida que nos afastamos da superfície do planeta, o ar se torna cada vez mais rarefeito, e, portanto, exercendo uma pressão cada vez menor.
O físico italiano Evangelista Torricelli (1608-1647) realizou uma experiência para determinar a pressão atmosférica ao nível do mar. Ele usou um tubo de aproximadamente 1,0 m de comprimento, cheio de mercúrio (Hg) e com a extremidade tampada. Depois, colocou o tubo , em pé e com a boca tampada para baixo, dentro de um recipiente que também continha mercúrio. Torricelli observou que, após destampar o tubo, o nível do mercúrio desceu e estabilizou-se na posição correspondente a 76 cm, restando o vácuo na parte vazia do tubo.

Barômetro de mercurio.
Experimento realizado por Torricelli
em 1643.

Na figura, as pressões nos pontos A e B são iguais (pontos na mesma horizontal e no mesmo líquido). A pressão no ponto A corresponde à pressão da coluna de mercúrio dentro do tubo, e a pressão no ponto B corresponde à pressão atmosférica ao nível do mar:
pB = pA è pATM = pcoluna(Hg)
Como a coluna de mercúrio que equlibra a pressã atmosférica é de 76 cm, dizemos que a pressão atmosférica ao nível do mar equivale à pressão de uma coluna de mercúrio de 76 cm. Lembrando que a pressão de uma coluna de líquido é dada por dgh (g = 9,8 m/s2), temos no SI :
pATM @ 76cmHg = 760mmHg = 1,01x105 Pa
A maior pressão atmosférica é obtida ao nível do mar (altitude nula). Para qualquer outro ponto acima do nível do mar, a pressão atmosférica é menor.

Os manômetros (medidores de pressão) utilizam a pressão atmosférica como referência, medindo a diferença entre a pressão do sistema e a pressão atmosférica. Tais pressões chamam-se pressões manométricas. A pressão manométrica de um sistema pode ser positiva ou negativa, dependendo de estar acima ou abaixo da pressão atmosférica. Quando o manômetro mede uma pressão manométrica negativa, ele é cjamado de manômetro de vácuo.

Manômetro utilizado em postos de gasolina (os médicos usam um sistema semelhante) para calibração de pneus. A unidade de medida psi (libra por polega ao quadrado) corresponde a, aproximadamente, 0,07 atm. Assim, a pressão lida no mostrador , 26 psi, é igual a aproximadamente, 1,8 atm.

A figura representa um manômetro de tubo aberto. Pela diferença de níveis do líquido nos dois ramos do tubo em U, mede-se a pressão manométrica do sistema contido no reservatório. Escolhendo os dois pontos A e B mostrados na figura, temos:
pA = pB
pSISTEMA = pATM + pLÍQUIDO
pSISTEMA = pATM = dgh
pMANOMÉTRICA = dgh

colem/2ºh.