dilatação térmica da água

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ
FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA E BIOMÉDICA
WOLDSON LEONNE PEREIRA GOMES
DILATAÇÃO ANÔMALA DA ÁGUA
BELÉM
2016
WOLDSON LEONNE PEREIRA GOMES
DILATAÇÃO ANÔMALA DA ÁGUA
Trabalho avaliativo de Física Fundamental II, do curso de Engenharia Biomédica, elaborado como requisito avaliativo apresentado ao professor M. Sc. Eng. Welisson de Araújo Silva.
M. Sc. Eng. Welisson de Araújo Silva. 
BELÉM
2016
RESUMO
Este trabalho tem por finalidade apresentar os principais conceitos sobre a dilatação anômala da água, sendo este assunto de fundamental importância para entender fenômenos específicos em termodinâmica. Com base nas definições e explicações no decorrer do presente trabalho, explicar-se-á o porquê de haver vida marinha em invernos rigorosos, em regiões muito frias, tais como o Polo Norte, e de que forma a dilação da água está envolvida nessa conjuntura.
Palavras-chave: Dilatação térmica. Termodinâmica. Dilatação anômala da água.
SUMÁRIO
1 - INTRODUÇÃO......................................................................................................04
2 - DESENVOLVIMENTO...........................................................................................05
2.1 - MOLÉCULA DE ÁGUA E A INFLUÊNCIA NA DILATAÇÃO...............................06 
2.2 - PROCESSO DE DILATAÇÃO ANÔMALA DA ÁGUA.........................................07
3 – CONSIDERAÇÕES FINAIS..................................................................................09
REFERÊNCIAS..........................................................................................................10
1 - INTRODUÇÃO
Certamente você já deve ter visto, em desenhos animados ou documentários, pessoas pescando em buracos feitos no gelo. Mas, os líquidos sofrem dilatação da mesma forma que os sólidos, ou seja, de maneira uniforme, então como é possível que haja água em estado líquido sob as camadas de gelo com temperatura igual ou inferior a 0°C?
Este fenômeno ocorre devido ao que chamamos de dilatação anômala da água, pois em uma temperatura entre 0°C e 4°C há um fenômeno inverso ao natural e esperado. Neste intervalo de temperatura a água, ao ser resfriada, sofre uma expansão no seu volume, e ao ser aquecida, uma redução. É isto que permite a existência de vida dentro da água em lugares extremamente gelados, como o Polo Norte.
2 - DESENVOLVIMENTO
Ver os lagos congelados permitindo que se patine sobre o gelo causa mesmo muita confusão se imaginarmos que ali embaixo a vida continua para os organismos que vivem no fundo dos lagos.
Quando uma substância é aquecida, ela recebe energia de forma que suas moléculas ficam agitadas, passando a ocupar um maior volume, ou seja, sofre dilatação. O oposto ocorre quando uma substância é resfriada, pois ela perde energia e suas moléculas tendem a ficar bem próximas umas das outras, causando uma contração no volume. Isso faz com que, normalmente, a matéria no estado sólido ocupe menos volume do que quando está no estado líquido.
Todavia, algumas substâncias quando aquecidas sofrem redução no seu volume (têm um coeficiente de dilatação negativo). A água é um exemplo de substância que sofre esta irregularidade quando a sua temperatura varia de 0°C até 4°C, ao nível do mar, o seu volume diminui. Portanto, a 4°C a água apresenta o seu volume mínimo e a sua densidade máxima. É por este motivo que, em países muito frios, os lagos e rios congelam na superfície, enquanto que no fundo, encontra-se a água de máxima densidade, isto é, a 4°C. Este fato é fundamental para a preservação da fauna e flora destes lugares. Se a água não apresentasse esta irregularidade na dilatação, os rios e lagos se congelariam totalmente, causando danos irreparáveis as plantas e animais aquáticos.
 
			
Gráfico 1 – Representação do comportamento anômalo da água.
O gráfico 1 mostra o que acontece com o volume de uma certa massa de água quando variamos sua temperatura. Percebe-se que o volume diminui à medida que a temperatura cai, porém há um ponto de mínimo correspondente à temperatura de 4ºC, ponto a partir do qual o volume começa a aumentar enquanto aproximamos a temperatura do 0ºC.
Esporadicamente vemos os telejornais anunciarem a previsão para alguns países dizendo que a temperatura irá ser abaixo de zero e com nevada. Nesses locais, muitos líquidos expostos ao tempo se congelam. Nos países de invernos rigorosos, as pessoas costumam deixar as torneiras de suas casas sempre gotejando para que a água contida nos encanamentos não se congele, em razão do pequeno fluxo, e os canos não se arrebentem.
2.1 – MOLÉCULA DE ÁGUA E A INFLUÊNCIA NA DILATAÇÃO
Para entendermos porque isso ocorre deve-se entender como é a molécula da água. Sabe-se que ela é formada de dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio. Ademais, é importante ter noção de como estes átomos estão dispostos. 
Imagem 1 – Geometria molecular da água.
A molécula de água não é linear. Os átomos de hidrogênio formam entre si um ângulo de 104,5º, conforme a imagem 1, conferindo a ela uma geometria angular. Sua molécula é polar, e quando no estado líquido ou sólido, as moléculas se associam através das ligações de hidrogênio. 
Sendo a molécula de água polar, ela tem uma concentração de cargas negativas próxima ao átomo de oxigênio (este átomo tende a “roubar” os elétrons dos outros átomos), desta forma há a separação entre as cargas da molécula: o lado em que está o oxigênio fica ligeiramente positivo, enquanto que o lado que se encontram os hidrogênios fica ligeiramente negativo.
2.2 – PROCESSO DE DILATAÇÃO ANÔMALA DA ÁGUA
Quando a água se encontra no estado líquido, todas estas informações são quase irrelevantes. A agitação das moléculas é tão grande que elas interagem muito pouco. Porém, à medida que a temperatura diminui, as moléculas começam a interagir de maneira bem específica: o oxigênio de uma molécula é atraído pelo hidrogênio de outra, tudo isso devido à existência desses polos.
Como resultado, há uma reorganização de tais moléculas em um padrão específico. Ocorre que esta disposição faz com que a mesma quantidade de água ocupe um volume maior, devido a existência de espaços vazios entre as moléculas. Este fenômeno de cristalização da água começa ocorrer aproximadamente à temperatura de 4ºC (sob a pressão de uma atmosfera) e cessa à 0ºC. Abaixo desta temperatura teremos gelo, cujo comportamento segue o comportamento padrão. 
Se o volume da água diminui durante esse intervalo e sua massa é mantida constante, consequentemente a densidade da água, que é a razão entre a massa e o volume, será máxima quando a água estiver a 4ºC, como ilustra abaixo o gráfico 2.
Gráfico 2 – Densidade da água em função da temperatura
Esse comportamento irregular da água explica vários fenômenos naturais, entre eles o fato de o gelo flutuar na água, que é o que ocorre nas regiões muito frias, onde a superfície dos lagos fica congelada enquanto no fundo a água permanece líquida. Como a água tem densidade máxima a 4ºC, conforme o gráfico 2, ela permanece no fundo, impossibilitando a convecção térmica, que é uma troca de calor em razão da diferença de densidade.
Figura 1- Ilustração do processo de congelamento de lagos e mares.
Em consequência, quando os lagos começam a esfriar no inverno, aumentando sua massa específica e tornando-o mais pesado, ocorre um processo de convecção, a água fria da superfície afunda antes de se transformar em gelo, permitindo que a água ligeiramente mais quente tome seu lugar. Depois que toda água dos lagos chega a 4ºC, a água da superfície é a primeira a se transformar em gelo, já que ele é menos denso que a água a 4ºC, que permanece no fundo dos lagos, conforme ilustra a imagem 2. O gelo é isolante térmico, evitando que os lagos congelem totalmente,o que seria desastroso para os peixes e outros organismos aquático. Como a maioria dos biólogos acredita que a vida na Terra começou nos lagos e oceanos, as propriedades térmicas da água podem ter sido importante para a evolução das formas primitivas de vida.
Vale lembrar que o gálio, o germânio, o bismuto e o antimônio são outros elementos que também se comportam como a água quando submetidos ao aquecimento, durante o processo de dilatação.
3 – CONSIDERAÇÕES FINAIS
Assim sendo, o estudo acerca de propriedades da água, em especial a dilatação anômala, explica de forma clara o fenômeno capaz de fazer a vida marinha sobreviver em invernos rigorosos. Além disso, é de fundamental importância para entender como a água se diferencia de outros líquidos, quando submetidos a uma dada temperatura. Tornando-se, assim, a dilatação térmica da água um pouco diferente de outros líquidos.
REFERÊNCIAS
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PATRÍCIA, C. Como os peixes sobrevivem em águas congeladas. Disponível em: <http://diariodebiologia.com/2010/08/como-os-peixes-sobrevivem-em-aguas-congeladas/> Acesso em: 15 nov. 2016.
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TOFFOLI, L. Dilatação anômala da água. Disponível em: <http://www.infoescola.com/termodinamica/dilatacao-anomala-da-agua/> Acesso em: 15 nov. 2016.