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Revele aos alunos o segredo da produção das geladinhas

Publicado por 
novaescola
Objetivo(s) 

Entender os princípios da Física aplicados nos sistemas de refrigeração

Ano(s) 
Material necessário 

Reportagem da Veja:

Desenvolvimento 
1ª etapa 

Introdução

O ser humano aprendeu a obter calor nos primórdios de sua existência. No entanto, levou milênios para obter o frio porque não dispunha da tecnologia necessária. Hoje, a indústria da refrigeração avançou tanto que já é possível tomar uma geladinha sob o sol do Saara sem precisar de fonte elétrica, gelo seco ou qualquer outro recurso, basta uma lata auto-refrigerante. Mostre como ela funciona e aproveite para falar um pouco sobre as máquinas térmicas e das novidades no campo das baixas temperaturas.

Providencie uma garrafa plástica de refrigerante, de preferência de 600 mililitros, um termômetro de aquário (desses que bóiam) e cerca de 200 gramas de bicarbonato de sódio ou sal de frutas. Peça que os alunos levem no dia da aula algum desodorante com embalagem do tipo aerossol.

 

Relembre com a classe o modelo microscópico que explica as trocas de calor e as mudanças de temperatura e de estado de agregação da matéria. Levante algumas questões sobre o que ocorre microscopicamente e o que é percebido macroscopicamente quando a lata é aberta. Se ao romper o lacre, a temperatura do sistema lata/conteúdo diminui, a energia térmica das moléculas se reduz? Para onde vai a energia térmica excedente?

Discuta o funcionamento da lata auto-refrigerante e compare esse processo com o que ocorre no interior de um refrigerador residencial. Peça que cada estudante acione a válvula do desodorante. O que acontece após a liberação do jato? Há uma sensação de frio na mão?

2ª etapa 

Em seguida, proponha uma experiência bem simples usando a garrafa de refrigerante e os demais objetos previamente selecionados. Coloque um pouco de água e o termômetro de aquário dentro da garrafa plástica. Aguarde alguns minutos para que o sistema atinja o equilíbrio térmico e anote a temperatura. Acrescente rapidamente o sal de frutas, tampe a garrafa mais depressa ainda e agite-a um pouco, tendo o cuidado de manter o termômetro na vertical. Aguarde alguns minutos e meça novamente a temperatura. Por fim, abra a garrafa com rapidez e verifique se ocorre ou não variação perceptível na temperatura indicada pelo termômetro.

Lembre que a água tem grande capacidade térmica. Portanto, para perceber mudanças na temperatura, é desejável que a massa desse líquido seja a menor possível. Discuta quais resultados podem ser esperados e de que variáveis eles dependem.

Após o experimento, proponha algumas questões, tais como:

  • Se parte da massa gasosa presa na garrafa é expelida quando se abre a tampa, o que podemos dizer a respeito da energia térmica total do sistema garrafa/líquido? Ela diminui ou permanece constante? E a temperatura? Tem necessariamente de baixar?
  • Se ocorre a expulsão de gases para fora da garrafa, há redução da massa?
  • A parte dos gases que sai tem moléculas com velocidade maior do que as que permanecem na garrafa?
  • O que é possível concluir sobre a energia cinética total e a energia cinética média das moléculas do sistema?
  • O que pode acontecer se um cata-vento de papel for colocado na saída da garrafa? Ele tenderá a girar quando a tampa for retirada? E de onde virá a energia transferida para o cata-vento?


Vale ressaltar que para baixar a temperatura de uma massa é preciso diminuir sua energia térmica, ou seja, reduzir a energia cinética média de suas moléculas.

Em geral, quanto mais elevada a temperatura de uma determinada massa, maior a distância média entre suas moléculas. Enquanto essa distância é pequena o suficiente para que as interações eletromagnéticas entre as moléculas sejam significativas e ocorram continuamente, a matéria encontra-se em estado sólido ou líquido. No entanto, se essas interações são apenas ocasionais, quando duas moléculas se aproximam bastante, a massa está na fase gasosa.

Lembre a classe que, além do sólido, líquido e gasoso, há ainda estados raros ou complexos de matéria, como o plasma e o condensado de Bose-Einstein, cujas características e propriedades são bastante específicas. O processo de resfriamento depende do estado em que a massa se encontra. Dos sólidos e líquidos, é mais fácil extrair energia térmica por contato com outra massa em temperatura mais baixa. Para extrair energia térmica dos gases existem processos mais eficientes.

A Lei Geral dos Gases diz que P.V/T (P = pressão, V = volume e T = temperatura absoluta) é uma relação constante. Numa expansão rápida de uma massa gasosa, o volume pode aumentar sem que ocorra diminuição proporcional da pressão. Portanto, nessas situações, a temperatura também tem de diminuir.

 

Fique por dentro 

Como se faz o frio
Os refrigeradores são dotados basicamente de um compressor e uma tubulação por onde circula um gás. Submetido à pressão promovida pelo compressor, o gás se aquece e se liquefaz no condensador ¿ parte da tubulação inferior em forma de serpentina. O líquido percorre o tubo e atinge a serpentina do evaporador, também conhecido como congelador, onde retorna ao estado gasoso, retirando calor do interior da geladeira. A lata inteligente citada na reportagem funciona já na fase de evaporação, uma vez que a compressão do gás foi realizada previamente.

 

Para saber mais 

Aproveite o tema para falar sobre os dois processos clássicos para a obtenção de resfriamentos muito acentuados, próximos do zero absoluto.

O primeiro consiste basicamente em comprimir um gás, elevando sua temperatura, resfriá-lo (por contato com o recipiente que o contém) e, em seguida, expandi-lo para reduzir sua temperatura. Esse método funciona bem enquanto a temperatura que se pretende atingir seja a da liquefação do gás. Na fase líquida, a compressão e a expansão não têm efeito sobre a temperatura. Por isso, para alcançar níveis térmicos próximos do zero Kelvin, usam-se gases com ponto de liquefação bastante baixos, como o hélio (He4 e He3, que possuem pontos de liquefação de 4 Kelvin e 3 Kelvin, respectivamente). Em seguida, pode-se ainda conseguir redução até 0,8 e 0,4 Kelvin. Para tanto, usa-se uma bomba de vácuo muito poderosa que extrai o vapor de hélio da superfície da massa líquida.

O segundo processo para obtenção de baixas temperaturas consiste em "congelar" magneticamente as moléculas de um material, submetendo-o a poderosíssimos campos magnéticos. Trata-se de um método bem mais sofisticado e complexo, que permite chegar a temperaturas próximas de 0,005 Kelvin.

Um processo mais recente, usado na obtenção do condensado de Bose-Einstein (conhecido como o quinto estado da matéria) é o resfriamento por laser. As temperaturas obtidas são inferiores a décimos de milésimos de Kelvin. A experiência valeu o Nobel de Física em 2001 a dois americanos e um alemão.

Créditos:
Renato da Silva Oliveira
Formação:
Professor de Física e coordenador do Planetário Móvel AsterDomus, de São Paulo
Autor Nova Escola

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