Mistérios Físicos

AMIGOS!
Esse foi um texto que escrevi em 2007, ainda quando era estudando de Física da UFPE. Tava relendo e achei interessante postar...

Boa Leitura!

Rodrigo Regis

Se tivermos duas massas iguais de água em recipientes iguais, sendo que no recipiente A, a água está a 90 ºC e no recipiente B, a água está à temperatura ambiente. Qual das duas, se colocarmos para solidificar, ficará congelada primeiro? Por quê?

Muitos irão intuitivamente dizer: É óbvio que é a água à temperatura ambiente. Porque tal afirmativa encontra respaldo na fórmula Q= m.c.T, por já possuírem mesma massa, quem tem temperatura mais baixa diminuirá mais rápido. E como Q=m.L, onde L, –é o calor especifico latente de fusão-solidificação de uma substancia que indica a quantidade de calor que cada unidade de massa precisa receber para sua fusão ou ceder calor para sua solidificação. E esse L é uma característica de cada substância. Portanto se solidificará primeiro o de menor temperatura. 

RESPOSTA ERRADA. 

Escutei do meu professor de química “se entendermos a química da água, poderemos nos julgar conhecedores de Química”. A complicação da água já começa quando estamos estudando ligações químicas. 

O arranjo molecular dessa substância composta que ainda estudaremos neste ano possui particularidades fantásticas, mas antes de aprofundarmos nossos conhecimentos, na pergunta feita, quero fazer uma ressalva .

Física é Intuição? 

Pensamos que a física é feita apenas de deduções lógicas e intuitivas, e, no entanto não é bem assim. 

Um dos grandes problemas da física foi entender o movimento. Para que possamos compreender os fenômenos complexos, é sensato começar com os casos mais simples. 

Considere um corpo em repouso, em caso de não existir movimento algum. Pensamos logicamente que se quisermos alterar a posição ou o lugar desse corpo, temos que lhe atribuir uma força. E aí a idéia surge intuitivamente, que o movimento esteja relacionado com os atos de força. E a experiência continua a nos levar a arriscar a afirmativa de que devemos empurrar com mais força se quisermos deslocar o corpo com mais velocidade. Concluímos que a velocidade é maior, quanto maior a força exercida sobre ele. Por exemplo: Uma carruagem puxada por quatro cavalos andará mais rápida, do que a puxada por um. Concluímos finalmente que a velocidade está essencialmente ligada a ação. 

Essa intuição levou a Aristóteles a dizer em sua obra: “O corpo em movimento chega à imobilidade quando a força que o impele não mais pode agir de modo a deslocá-lo”. Esse filósofo foi para mim, um dos mais brilhantes, juntamente com Platão e Sócrates, mas na física nada acertou. Deve ser por ter criado a lógica formal, um método depois chamado de sofismo. 

Devemos a Galileu o desenvolvimento do raciocínio científico, e vamos dar um salto astronômico agora. Entremos no pensamento abordado por Galileu, escrito por Einstein: 

“Suponha-se que alguém que vá empurrando um carrinho de mão em uma estrada plana nivelada pare repentinamente de empurrar. O carrinho continuará deslocando-se por uma distância pequena antes de parar. Como será possível aumentarmos essa distância? Há vários meios, tais como lubrificar rodas e tornar a estrada muito lisa, retirando atrito. (…) Imaginando-se uma experiência idealizada que jamais poderá ser realmente realizada, eliminando todas as influências externas”. 

“Comparando os dois métodos de atacar o problema, podemos dizer: a idéia intuitiva é – quanto maior a ação, tanto maior a velocidade. Assim, a velocidade mostra se forças externas estão ou não agindo sobre o corpo. A nova pista encontrada por Galileu é: Se um corpo não é empurrado, puxado ou sujeito a uma ação de qualquer outro modo, ou, mais simplesmente se nenhuma força externa atua sobre um corpo, ele se desloca uniformemente, isto é, sempre com a mesma velocidade ao longo de uma linha reta. Assim, a velocidade não mostra se forças externas estão ou não agindo sobre um corpo”. 

Finalmente concluímos que a intuição na física nem sempre nos leva a resultados corretos, e esse da água aqui abordado não foge à regra. Necessita-se mais do que apenas intuição para descrevemos a natureza. Voltemos dessa viagem.

Explicação física do fenômeno em estudo.

Estudamos esse ano pressão de vapor, e sabemos muito bem, que essa pressão está diretamente ligada à temperatura. Quanto maior temperatura, maior pressão de vapor. Então, concluiremos a evaporação é mais rápida na água inicialmente quente, provocando uma diminuição de sua massa que acelera a queda da temperatura por estar passando de um estado menos energético para um mais energético. 

Esse efeito leva-nos a deduzir que: A massa é reduzida, e quando o primeiro corpo alcançar a temperatura do outro, o mais quente terá menos massa, e aí pela fórmula Q=m.c. .T , o primeiro baixa mais rapidamente para o congelamento, e quando chegar na temperatura de fusão , pela fórmula Q=m.L, tendo menos massa, congelará mais rápido. Esse argumento nos dá uma óptica mais palpável sem deixar de ser lógica, mas a análise física não fica só por aí. 

Um fenômeno chamado sobrefusão é importante para esse caso estudado. A sobrefusão é um ‘atraso’ na solidificação. O líquido em estado de sobrefusão é meta-estável (estado de um sistema que é instável, mas no qual ele pode permanecer por um tempo razoável, às vezes, bastante longo, porque a velocidade de transformação para um estado estável é relativamente pequena), de modo que a simples agitação do sistema interrompe o fenômeno, com a solidificação parcial ou total do líquido e elevação da temperatura, mas para que ocorra a formação de cristais de gelo necessita de pontos de nucleamento, como bolhas de gás ou partículas de impurezas ou mesmo superfície rugosa. 

Eu pergunto: Onde a sobrefusão ocorrerá mais fácil? 

No recipiente inicialmente quente. 

Por quê? 

Simples, porque aquecimento remove os gases dissolvidos na água, que poderiam servir como pontos de nucleamento. 

Pergunto: Já que a sobrefusão ocorre mais facilmente no líquido mais quente, por que ele congelará primeiro? 

Veja, aí está o equívoco, o fato do líquido quente congelar a baixo de 0ºC não nos diz que a água à temperatura ambiente levará menos tempo para solidificar. 

1- A água inicialmente a temperatura ambiente ao começar o processo de congelamento, forma uma superfície de gelo, tal como nos rios quando “congelam”. Na realidade, não se congelam, é apenas essa superfície que se forma, até porque, se congelasse o rio, destruiria quase toda forma de vida ali existente. Essa película formada é um isolante térmico, diminuindo as trocas de calor com o meio externo e conseqüentemente aumentando o tempo para a solidificação. 

2- O líquido quente não possui essa camada isolante, e isso faz com que o líquido troque calor mais rapidamente com meio externo. E levando em consideração que qualquer alteração provoca a solidificação bruscamente, sabemos, que pelas leis da física moderna é impossível isolar a experiência dos efeitos externos.

Conclusão

Espero que esse pequeno ensaio traga aos os leitores algum estimulo intelectual. E mostre que o brilhante mundo físico não é baseado somente de intuições, mas de estudos e experiências bem detalhadas. 

Por mais que a física moderna, com o princípio da incerteza, a deformação do espaço-tempo da relatividade geral, a dualidade onda-partícula dentre vários assuntos abordados, nos pareça louca e sem lógica, pode ficar certo, querido leitor, tem grande lógica e tudo tem uma base fundamentada na matemática que explica muito bem, fazendo descrições impressionantes da natureza.

Escrito por: Rodrigo Regis de Almeida Galvão - Estudante de Física UFPE-