A FÍSICA DA ÁGUA

“Não há nada mais macio e mais fraco do que a água, e ainda não há nada melhor para atacar coisas duras e fortes”, Lao Tzu.

De fato, a capacidade da água de lavar, acalmar e nutrir contrasta com a sua força bruta, como exibida por cataratas, cachoeiras e tsunamis.

Da mesma forma paradoxal, a água é ao mesmo tempo extremamente familiar, pois compõem cerca de dois terços de nossos próprios corpos e cobre três quartos do planeta, mas extremamente misteriosa. Muitas das suas propriedades são surpreendentes e escapam da compreensão científica. Confira:

Corrida para o fundo

Uma pessoa com o mínimo de lógica poderia supor que levaria mais tempo para a água quente mergulhar para baixo da escala de temperatura de 0 graus Celsius e congelar do que a água fria.

Estranhamente, nem sempre esse é o caso. Como foi observado pela primeira vez por um aluno da Tanzânia, Erasto Mpemba, em 1963, a água quente realmente congela mais rápido do que a água fria quando os dois corpos de água estão expostos ao mesmo ambiente abaixo de zero. E ninguém sabe por quê.

Cubos de Gelo

Uma possibilidade é que ocorre um processo de circulação de calor chamado convecção. Em um recipiente de água, a água quente sobe até o topo, empurrando a água mais fria abaixo dela e criando um “topo quente”. Os cientistas especulam que a convecção pode de alguma forma acelerar o processo de resfriamento, permitindo que a água mais quente congele mais rápido do que a água mais fria.

Substância escorregadia

Um século e meio de investigação científica ainda não conseguiu determinar por que o gelo pode fazer você cair. Os cientistas concordam que uma fina camada de água líquida em cima do gelo sólido é o que o torna escorregadio. Mas não há consenso a respeito do porque o gelo, ao contrário da maioria dos outros sólidos, tem tal camada.

Escorregadia

Os teóricos têm especulado que pode ser o próprio ato de deslizar ou patinar – fazer contato com o gelo – que derrete a superfície do gelo. Outros pensam que a camada de fluido está lá antes de alguém escorregar ou patinar, e é de alguma forma gerada pelo movimento inerente das moléculas de superfície.

Nós sabemos que você está procurando algo ou alguém para culpar quando cai de bunda no gelo, mas, infelizmente, o júri ainda não chegou a uma conclusão.

Bolhinhas

Na Terra, a água fervente cria milhares de pequenas bolhas de vapor. No espaço, por outro lado, produz apenas uma bolha gigante ondulante.

A dinâmica de fluidos é tão complexa que os físicos não sabiam o que aconteceria com água fervente em condições de gravidade zero, até que um experimento foi finalmente realizado a bordo de um ônibus espacial em 1992. 

Ebolição

Os físicos decidiram que a ebulição mais simples no espaço provavelmente resulta da ausência de convecção e flutuabilidade – dois fenômenos causados pela gravidade. Na Terra, estes efeitos produzem a turbulência que observamos em nossos bules.

Levitando líquido

Quando uma gota de água cai sobre uma superfície muito mais quente do que seu ponto de ebulição, pode escorregar por toda a superfície por muito mais tempo do que você esperaria.

Chamado efeito Leidenfrost, isso ocorre porque quando a camada inferior da gota evapora, as moléculas de água gasosa da camada não têm para onde escapar, assim que sua presença isola o resto da gota e impede que esta toque a superfície quente abaixo. A gota, assim, sobrevive por alguns segundos, sem evaporar.

Membrana

Às vezes, a água parece desafiar as leis da física, mantendo-se unida apesar das tentativas da gravidade ou mesmo da pressão de objetos pesados.

Este é o poder da tensão superficial, uma propriedade que faz com que a camada externa de um corpo de água (e alguns outros líquidos) aja como uma membrana flexível. A tensão superficial surge porque as moléculas de água se vinculam frouxamente umas com as outras. Por causa das ligações fracas entre elas, as moléculas na superfície puxam para dentro as moléculas abaixo delas.

A água fica “junto” até que as forças para separá-la ultrapassem a força daquelas ligações fracas, e quebrem a superfície.

Na foto acima, por exemplo, um clipe repousa sobre a camada superior de um corpo de água. Embora o metal seja mais denso que a água e, portanto, deveria afundar, a tensão superficial está impedindo que o clipe quebre a superfície da água.

Neve em ebulição

Quando há um enorme gradiente de temperatura entre a água e o ar exterior – por exemplo, quando uma panela de água fervente de 100 graus Celsius é espirrada em um ar com 34 graus Celsius negativos, um efeito surpreendente ocorre. A água fervente vira instantaneamente neve.

A explicação: o ar extremamente frio é muito denso, com suas moléculas espaçadas tão intimamente que não há muito espaço sobrando para o transporte de vapor de água. Água fervente, por outro lado, emite vapor muito facilmente. Quando a água é lançada no ar, ela quebra em gotas, que têm ainda mais área de superfície para o vapor subir. Isso representa um problema.

Há mais vapor emitido do que o ar poderia, de modo que o vapor “precipita” por ligação com partículas microscópicas no ar, como sódio ou cálcio, formando cristais. Essa é a formação de flocos de neve.

Espaço vazio

Embora a forma sólida de quase todas as substâncias seja mais densa do que sua forma líquida, isso não acontece com H2O. Quando a água congela, seu volume aumenta em cerca de 8%. Este é o comportamento estranho que permite que os cubos de gelo, e até mesmo icebergs, flutuem.

Quando a água esfria a seu ponto de congelamento, há menos energia fazendo suas moléculas “pularem”, de modo que as moléculas são capazes de formar ligações estáveis de hidrogênio com seus vizinhos e, gradualmente, fixar uma posição, o que é o mesmo processo básico que faz com que todos os líquidos se solidifiquem.

E, assim como em outros sólidos, as ligações entre as moléculas no gelo são realmente mais curtas e mais apertadas do que os laços soltos na água líquida, a diferença é que a estrutura hexagonal de cristais de gelo deixa um monte de espaço vazio, o que torna o gelo menos denso que a água em geral.

O excedente de volume às vezes pode ser visto na forma de “picos de gelo” em cima de cubos de gelo no freezer. Estes picos são compostos do excesso de água que é espremido para fora de um cubo pelo congelamento (e expansão) do gelo em torno dele.

Em um recipiente, a água tende a congelar a partir dos lados e no fundo em direção ao centro e em cima, de modo que o gelo se expande em direção ao centro. Às vezes, um bolsão de água fica preso no meio sem ter para onde correr, e esguicha de um buraco no topo do cubo, congelando na forma de um jato.

Único

Como diz o ditado, “não há dois flocos de neve iguais”. De fato, em toda a história da neve, cada uma dessas belas estruturas é completamente única. 

Flocos de Neve

Eis o porquê: um floco de neve começa como um prisma hexagonal simples. À medida que cada floco cai, esbarra em uma gama única de condições, incluindo diferentes temperaturas, umidade e pressão do ar. Isso é o suficiente para nunca se formarem cristais da mesma forma duas vezes.

Dito isto, a coisa legal sobre flocos de neve é que seus seis braços crescem em perfeita sincronia, criando simetria hexagonal, porque cada braço experimenta as mesmas condições que todos os outros.

De onde veio?

A origem exata da água do nosso planeta, que abrange cerca de 70% da superfície da Terra, ainda é um mistério para os cientistas. Eles suspeitam que a água da superfície do planeta há 4,5 bilhões de anos teria evaporado com o calor intenso do sol jovem. Isso significa que a água que temos agora deve ter chegado aqui mais tarde.

Como? Bem, durante um período de cerca de 4 bilhões de anos atrás, chamado de Bombardeio Pesado Tardio, objetos maciços, provavelmente de fora do sistema solar, atingiram a Terra e outros planetas. É possível que esses objetos trouxeram água para a Terra.

Cometas, pedaços de gelo e rocha com caudas de gelo que orbitam o sol, são os prováveis culpados pelo líquido que aterrou aqui. Há um problema, porém: medições remotas da água evaporando de vários cometas importantes (Halley, Hyakutake e Hale-Bopp) revelaram que o gelo é feito de um tipo diferente de H20 (contendo um isótopo pesado do hidrogênio) do que encontrado aqui, sugerindo que os cometas podem não ser a fonte de toda a água da Terra.[Life'sLittleMysteries]

Não congela a 0ºC

Já pensou em água se transformando em gelo enquanto é aquecida? Os cientistas descobriram que, sim, isso é possível.

Você aprendeu na escola que a água congela na temperatura de zero graus Celsius. Surpreendentemente, foi descoberto que se ela estiver em uma garrafa lisa e sem nenhuma partícula de poeira, ela pode ficar líquida em até 40 graus negativos – os cientistas chamam essa forma de “super-resfriada”.

Gelo com alta temperatura

A explicação para que a água se transforme em cristais de gelo na natureza seria, então, a poeira do ambiente.

Agora a última descoberta dos cientistas é que a água pode se transformam em gelo em altas temperaturas. Usando filmes piroelétricos quase-amorfos, que mudam de carga elétrica com o calor, eles conseguiram congelar água aquecendo-a.

O esquema é simples. Quando esses pequenos filmes estão com carga positiva, a água se torna mais fácil de congelar, e, quando a carga é negativa, o contrário acontece. Então seria possível que a água congelasse enquanto está sendo aquecida, pois o calor modificaria a carga elétrica do filme também.

As descobertas não são só bonitinhas, como truques de mágica. Elas podem auxiliar na crio-preservação de células, na proteção de plantações contra temperaturas muito baixas e no entendimento da formação de nuvens.

Fonte: MSNBC