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Todos sabemos que existem três estados fundamentais da matéria, certo? (sólido, líquido e gasoso) Também sabemos, muito intuitivamente, como esse sistema funciona… Desde criança você sabe que se retirar calor de um líquido (ex: colocar um copo d’água no congelador), o mesmo congela. Também sabemos que se o esquentarmos o suficiente (ex: ferver água numa panela), o mesmo se tornará vapor. Ou seja, sabemos, sem ninguém nos ensinar diretamente, que o ato de ferver está associado ao calor e o ato de congelar ao frio. Então será possível que essas duas transições possam ocorrer ao mesmo tempo? E se fosse possível, essa substância estaria quente ou fria? Em primeiro lugar, não existem apenas três estados fundamentais da matéria. O plasma por exemplo é um estado físico que não te ensinaram na escola. Porém, isso é compreensível… A escola conta diversas dessas “mentirinhas” para não enrolar as cabeças das pobres crianças. Geralmente ela lida apenas com os fenômenos com os quais temos contato em nossos dia-a-dias. (Ou alguém aí já teve muito contato com plasma?) Outra coisa que aprendemos é que a água congela a 0 ºC e que ferve a 100 ºC. Porém, isso não é inteiramente verdade… Nossos cérebros estão acostumados a associar o ato de ferver ao calor e o de congelar ao frio. Mas será que é assim mesmo? Quando fervemos a água, estamos fazendo com que ela entre em ebulição, que é quando um líquido começa a vaporizar rapidamente ao atingir uma certa temperatura… Mas também uma certa pressão.

altitude e pressão atmosférica
Quanto maior a altitude, menor a pressão…

Sim, a ebulição depende tanto da temperatura quanto da pressão. A questão é que geralmente não pensamos nisso pois estamos sempre expostos à mesma pressão atmosférica. Se você mora ao nível do mar, a temperatura de ebulição da água é de aproximadamente 100 ºC mesmo. Porém, em Brasília, que está numa altitude mais alta, essa temperatura é de 98,3 ºC! Mas por que isso acontece? Tudo que está na Terra sofre a atração gravitacional da mesma, inclusive o ar. Por isso, a camada de ar mais externa (mais alta) da Terra comprime a que está mais abaixo. (Por isso também que a pressão no fundo do oceano transformaria seu carro numa lata de sardinha…) “Beleza, mas o que pressão tem a ver com a história?” Átomos e moléculas estão em constante movimento, esbarrando e empurrando umas às outras, ou seja, estão vibrando. Quando aquecemos a água, na verdade estamos fornecendo energia a essas moléculas na forma de calor, aumentando essa vibração. A ebulição acontece quando, em média, a energia vibracional das moléculas de um líquido é maior do que a das ligações intermoleculares que as seguram umas às outras. Porém, o aumento da pressão força as moléculas a se aproximarem, aumentando ainda mais a intensidade dessas forças de atração. Isso dificulta que elas consigam “se soltar” umas das outras, impedindo a ebulição. No monte Everest, onde a altitude chega a 8848 metros (e portanto a pressão atmosférica é muito menor), a água ferve a 71 ºC!

temperatura numa panela de pressão
A água ferve acima de 100 ºC numa panela de pressão

Isso também explica o funcionamento das panelas de pressão. Ao contrário do que se pensa, quando uma substância pura (Impurezas complicam tudo…) está mudando de fase, sua temperatura não varia. Calma, vou explicar… Quando você aquece uma panela com água, sua temperatura vai aumentando até que ela chegue a 100 ºC. Porém, a partir do momento que ela começa a ferver, sua temperatura não varia, fica sempre a 100 ºC até que toda a água evapore. Mesmo que você aumente o fogo, a temperatura continuará a mesma! Quando você aumenta o fogo, está fornecendo mais energia, portanto a água vai evaporar mais rapidamente, mas sempre na mesma temperatura. Ou seja, se você está assando uma carne numa panela comum a nível do mar, não importa quanto tempo você a deixe lá ou se aumenta o fogo, aquele líquido em volta dela estará sempre fervendo a aproximadamente 100 ºC. Porém, numa panela de pressão, são necessárias maiores temperaturas para que aquela água se vaporize. Por isso, quando a água começar a ferver, sua carne estará assando numa temperatura maior do que numa panela normal! Essa temperatura, é claro, depende de quão boa é a sua panela. “Beleza, a temperatura de ebulição depende da pressão ambiente… Mas como isso poderia fazer com que a água ferva e congele ao mesmo tempo?” Calma, vou chegar agora nesse ponto… O ponto triplo da água.

Diagrama de fases da água
Diagrama de fases da água

Pense comigo… Quando diminuímos a pressão, a temperatura de ebulição (líquido para vapor) diminui, certo? Será que, se abaixarmos a pressão o suficiente, a temperatura de ebulição “se encontra” com a de fusão (sólido para líquido)? Sim! Em uma pressão e temperatura muito específicas, uma substância consegue coexistir nos estados sólido, líquido e gasoso. Esse ponto está representado no gráfico ao lado e é dado a ele o nome de “ponto triplo”, nesse caso, da água. Repare que as linhas representam aonde dois estados podem coexistir num material. Por exemplo, a 100 ºC e 1 atm (pressão atmosférica ao nível do mar), a água está nos estados líquido e gasoso ao mesmo tempo. A medida que a pressão decresce, a temperatura de ebulição também, até que chegamos no ponto triplo. A exatas 0,006 atm e 0,01 ºC, a água pode coexistir nessas três fases. Então, respondendo a pergunta do início, a água estará gelada nesse ponto! Uma substância pode sim ferver no frio!

“Espera… Então se eu jogar gelo na água fervendo, terei o ponto triplo da água? Afinal os três estados coexistem ali!” Não… Vamos melhorar essa definição de ponto triplo. Nele, a taxa de conversão de uma fase para outra e vice-versa são iguais. Líquido vira sólido na mesma taxa em que sólido vira líquido e o mesmo para todas as fases. Nesse caso, como não se encontra naquela pressão e temperatura, seu sistema vai continuar ganhando calor até que todo o gelo vire líquido e depois todo o líquido vire gás. Não há equilíbrio nesse sistema… Agora chega de lero-lero e vamos finalmente dar uma olhada em como a coisa se parece:

cicloexano próximo do ponto triplo
Fervendo e congelando…

Okay, preciso te contar uma coisa. Isso não é água… E nem o ponto triplo. “Parabéns, hein! Você escolhe GIFs muito bem!” A substância em questão é o cicloexano e o ponto triplo dele ocorre numa pressão maior do que a da água, portanto é muito mais fácil alcançá-lo. Se esse frasco fosse utilizado para alcançar o ponto triplo da água, o mesmo se quebraria com a diferença de pressão com o exterior. (Em termos práticos, com o “vácuo” do frasco.) Outra coisa é que, num ponto triplo real, estaríamos observando as fases em perfeito equilíbrio, não mudando abruptamente como estão. Até para o cicloexano, é extremamente difícil alcançar o ponto triplo. Portanto o que estamos vendo na verdade é algo próximo do ponto triplo. A pressão e a temperatura da substância variam bastante em torno dele, por isso ela alterna rapidamente entre ferver e congelar. E o ponto triplo da água? Você pode conferir no vídeo abaixo. Pode não ser tão legal visualmente mas ainda assim é de se admirar pois é uma tarefa bem complicada!

Fontes: Química: A Ciência Central, io9