DILATAÇÃO ANOMALA DA ÁGUA

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UNIVERSIDADE ANHANGUERA DE SÃO PAULO- UNIAN 
 
Turma 3ºB – 3º Semestre 
Engenharia Civil 
Ernando Antonio de Lima RA- 6451327472
Diogo Ferreira Bispo dos Santos RA- 6248215619
Thiago Aparecido da Silva RA- 6419199195
Pablo Rodrigues da Silva RA- 6277280002
Iago Henrique Nascimento RA- 6282303107
Beardsley G. Nascimento RA- 1299263241
Diogenes Quirino RA- 111371783
DILATAÇÃO ANÔMALA DA ÁGUA E CALORIMETRO
  
Fundamentos de Hidrostática e Calorimetria 
Prof. Ronnie
SÃO BERNARDO DO CAMPO
2014
 UNIVERSIDADE ANHANGUERA DE SÃO PAULO- UNIAN 
Ernando Antonio de Lima RA- 6451327472
Diogo Ferreira Bispo dos Santos RA- 6248215619
Thiago Aparecido da Silva RA- 6419199195
Pablo Rodrigues da Silva RA- 6277280002
Iago Henrique Nascimento RA- 6282303107
Beardsley G. Nascimento RA- 1299263241
Diogenes Quirino RA- 111371783
 
Trabalho apresentado como requisito parcial para obtenção de aprovação na disciplina de 
Fundamentos
 de Hidrostática e Calorimetria, no Curso de Engenharia Civil, na Universidade Anhanguera de São Paulo- Unian
Prof. Ronnie Mikio Shibata
SÃO BERNARDO DO CAMPO
2014
DEDICATÓRIA
Primeiramente, a Deus pelas bênçãos recebidas.
E a todos do grupo que contribuíram com o trabalho
AGRADECIMENTOS
A todos que direta ou indiretamente me auxiliaram, debateram, citaram, elogiaram e criticaram com o intuito de contribuir na execução deste trabalho, e em particular gostaria de citar:
- Os professores da Universidade Anhanguera de São Paulo- Unian, pelo exemplo de profissionalismo e apoio constantes na carreira universitária e também, por ser mais que orientadores, e sim amigos que nos auxiliaram, e acreditam e cobram com equilíbrio e respeito
Índice
DEDICATÓRIA	3
AGRADECIMENTOS	4
DILATAÇÃO ANOMALA DA ÁGUA.	6
CONGELAMENTO DE LAGOS E MARES	7
CALORIMETRO	8
TIPOS DE CALORIMETROS	9
CALORIMETRO ADIABATICO	10
CALORIMETRO ISOTERMICO	11
COMO CONSTRUIR UM CALORÍMETRO	12
CONCLUSÃO SOBRE O CALORIMETRO	13
APLICAÇÕES DO CALORÍMETRO NO COTIDIANO	14
Índice de Ilustrações.
Figura 1 Gráfico para representação de volume x temperatura	6
Figura 2- Ilustração do processo de congelamento de lagos e mares.	8
Figura 3- Calorímetro com paredes diatérmicas.	9
Figura 4 - Calorímetro isoperibol	9
Figura 5- Calorímetro adiabático.	11
Figura 6- Calorímetro Isotérmico.	12
Figura 7- Calorímetro artesanal.	13
DILATAÇÃO ANÔMALA DA ÁGUA.
A água não se comporta termicamente como a maioria dos líquidos. Isto causa consequências muito importantes na natureza, em virtude da sua abundância em nosso planeta. Para analisar esse comportamento, imagine que certa quantidade de água a 0 °C é colocada em um recipiente praticamente indilatável. Aumentando a temperatura, o volume do líquido diminui até a temperatura atingir 4 °C. A partir daí, se o aquecimento continua, o volume do líquido passa a aumentar. A conclusão que se pode tirar desse efeito é a de que, no aquecimento de 0 °C a 4 °C, a água sofre contração. No aquecimento acima de 4 °C ocorre dilatação.
Isto pode ser mostrado através do gráfico à direita:
Figura 1 Gráfico para representação de volume x temperatura
O comportamento irregular da água, ao ter sua temperatura variada, é explicado pela existência de um tipo especial de ligação entre suas moléculas: ligações de hidrogênio. Essa ligação é de natureza elétrica e ocorre entre átomos de hidrogênios ligados aos elementos do grupo FON (flúor, oxigênio e nitrogênio). As ligações de hidrogênio estabelecem-se pelo fato de as moléculas de água serem polares, isto é, elas apresentam certa polaridade elétrica. Então, quando a temperatura de certa quantidade de água aumenta a partir de 0 °C, ocorrem dois efeitos que se opõem quanto à sua manifestação macroscópica:
A maior agitação térmica molecular produz um aumento na distância média entre as moléculas, o que se traduz por um aumento de volume (dilatação);
As ligações de hidrogênio se rompem e, devido a esse rompimento, na nova situação de equilíbrio as moléculas se aproximam uma das outras, o que se traduz por uma diminuição de volume (contração).
Ambos os efeitos estão sempre ocorrendo. A predominância de um ou outro efeito é que vai acarretar a dilatação ou contração da água. Daí podermos concluir que, de 0 °C a 4 °C, predomina o segundo efeito (rompimento das pontes de hidrogênio), acarretando contração da água. No aquecimento acima de 4 °C, o efeito predominante passa a ser o primeiro (aumento da distância) e, por isso, ocorre dilatação.
CONGELAMENTO DE LAGOS E MARES
Em regiões muito frias, com invernos rigorosos, observa-se que os lagos têm sua superfície congelada, mas a água no fundo permanece no estado líquido, com temperatura entre 0 ºC e 4 ºC. Essa ocorrência é providencial, no sentido de preservar a vida aquática no fundo dos lagos e mares dessas regiões. Suponhamos que, num dado instante, a temperatura do ar comece a cair (a partir de 18 ºC, por exemplo). A água da superfície, em contato com o ar, arrefece e fica mais densa que a água do fundo. Essa diferença de densidade provoca a movimentação da água: sobe água "quente" e desce água "fria". No entanto, ao ser atingida a temperatura de 4ºC, essa movimentação cessa, pois, nessa temperatura, a água tem densidade máxima. Se o arrefecimento continuar, a água da superfície fica menos densa que a água do fundo, não mais sendo possível a
troca de posição. A água superficial pode chegar a congelar, mas a do fundo mantém-se líquida. O arrefecimento da água do fundo ocorre muito lentamente, porque tanto a água líquida quanto o gelo conduzem mal o calor.
Figura 2- Ilustração do processo de congelamento de lagos e mares.
CALORIMETRO
O que é um calorímetro?
Calorímetros são aparelhos que nos permitem estudar os processos de troca de calor e as propriedades térmicas dos materiais. Trabalha-se, em particular, com a propriedade de que o calor cedido por um corpo será absorvido pelos demais, até que não haja mais qualquer diferença de temperatura no sistema. 
Num calorímetro as perdas de calor para o ambiente devem ser minimizadas. Neste sentido as paredes que revestem o calorímetro devem ser isolantes térmicos (paredes adiabáticas). Por outro lado, paredes que permitem a troca de calor são chamadas de diatérmicas. 
Um calorímetro ideal não permite qualquer perda de calor para o ambiente e o seu conteúdo pode ser considerado um sistema isolado.
Figura 3- Calorímetro com paredes diatérmicas.
TIPOS DE CALORIMETROS
Calorímetro isoperibol: Um calorímetro isoperibol é aquele em que a temperatura do Meio é mantida constante, independentemente da temperatura do calorímetro propriamente dito, embora se tente que as diferenças de temperatura não sejam elevadas. Consequentemente, as trocas de calor entre o vaso calorimétrico e o Meio existem deliberadamente e, sendo devidamente controladas, a quantidade de calor permutado entre aqueles dois meios é conhecidos e proporcional à diferença das respectivas temperaturas.
Imagem ilustrativa da série 6200
Figura 4 - Calorímetro isoperibol
CALORÍMETRO ADIABÁTICO
Um calorímetro adiabático é um calorímetro utilizado para examinar uma reação descontrolada. Desde o calorímetro é executado em um ambiente adiabática, o calor gerado pela amostra de material sob teste faz com que a amostra para o aumento da temperatura, alimentando a reação. 
Calorímetro adiabáticos é verdadeiramente - um pouco de calor será perdida pela amostra ao titular da amostra. Exemplos de calorímetros adiabáticos são: - 
* THT Calorímetro Taxa EV-Acelerar [1] 
* HEL Phi-Tec [2] 
* Um frasco de Dewar simples 
* SystagFlexyTSC [3], 
Um sucessor de sua unidade SIKAREX - o sistema eletrônico de que poderia ser usado para aplicar um sistema de feedback para aquecer o titular da amostra para dar um resultado mais próximo adiabaticy verdade, porém, como otitular da amostra é um tubo de vidro em aberto, ele logo perde a amostra como uma grande quantidade de fumaça. 
Figura 5- Calorímetro adiabático.
CALORÍMETRO ISOTERMICO
São aqueles em que idealmente não há variação de temperatura durante a experiência. Desta forma o que ocorre é a variação no fluxo de calor. Alguns aparelhos possuem termo- pilhas para medir o fluxo de calor trocado no processo.
Figura 6- Calorímetro Isotérmico.
COMO CONSTRUIR UM CALORÍMETRO
Para construir um calorímetro, proceda da seguinte forma: pegue um recipiente de isopor que possua tampa bem ajustada, ou seja, que não possua folgas entre a tampa e as paredes do recipiente. Dentro deste último coloque outro recipiente de metal e com um algodão preencha os espaços existentes entre os dois recipientes. Na tampa da embalagem de isopor faça dois pequenos furos, um para o termômetro e outro para o agitador (uma pequena haste metálica, por exemplo). Está pronto o calorímetro! 
Para medir a quantidade de calor e descobrir o calor especifico de um determinado material como o ferro, por exemplo, coloque uma determinada massa de água a temperatura de 20 °C dentro do calorímetro. Feito isso, pegue um pequeno pedaço de ferro, meça sua massa e depois aqueça-o até que ele atinja uma temperatura de 60°C. Ainda quente coloque-o dentro do calorímetro contendo água, feche bem e com o agitador agite o sistema para que ele entre em equilíbrio térmico. Sabendo a massa, a temperatura inicial e final da água e do ferro e utilizando a equação fundamental e o princípio da calorimetria, podemos fazer as análises das trocas de calor e descobrir qual é o calor específico do material.
Por Marco Aurélio da Silva
Equipe Brasil Escola
Figura 7- Calorímetro artesanal.
CONCLUSÃO SOBRE O CALORIMETRO
O ideal seria que o aparelho não trocasse calor, de modo algum com o ambiente. Na prática, porém, o isolamento do recipiente que contém a água apenas reduz a um mínimo a troca de calor. Quando se emerge um corpo quente na água do calorímetro, ele aquece tanto a água quanto o recipiente, a parte imersa do termômetro e a camada de material isolante térmico em contato com o recipiente. Nota-se, assim, que nem todo o calor é utilizado para aquecimento da água. Costuma-se imaginar, então, que tudo se passa como se houvesse um pouco mais de água do que a realmente contida dentro do calorímetro. É possível, desse modo, determinar uma quantidade de água ideal, equivalente àquela parte do calorímetro que é aquecida. Para medir essa quantidade de calor cedida ao calorímetro, e então determinar seu equivalente em água, o processo é simples: junta- se ao aparelho uma quantidade conhecida de calor, vertendo-se, por exemplo, uma determinada massa de água a certa temperatura. Dessa maneira, é fácil calcular de que quantidade deverá aumentar essa temperatura. O aumento real, entretanto, será menor, pois o calor dissipa-se nas paredes do recipiente, do termômetro, da camada de material isolante, etc.
Para conseguir boas medidas, é necessário homogeneizar a temperatura da água do calorímetro, antes de ler o termômetro. Usa-se um agitador, uma pequena haste de vidro ou metal colocado dentro do calorímetro e cujo equivalente em água é avaliado juntamente com os do termômetro e do recipiente.
 
APLICAÇÕES DO CALORÍMETRO NO COTIDIANO
SAÚDE:
Ao receber um paciente, o médico mede sua pressão arterial, temperatura, altura e peso, faz perguntas para delinear um quadro geral e, se necessário, indica exames clínicos até reunir todas as informações para o diagnóstico.
Analogamente, o conhecimento do estado e do comportamento de sistemas físicos, químicos ou biológicos pode se dar através de medidas das variações energéticas que eles sofrem ao longo do tempo.
É medindo as variações energéticas que se chega, por exemplo, aos valores calóricos explicitados nas embalagens de alimentos; que se determina a qualidade do solo e a ação de herbicidas; que se determina a interação entre os compostos de produtos de limpeza e cosméticos; se monitora a ação dos fármacos ou de bactérias no organismo; e se estuda as modificações em uma superfície para dela se extrair contaminantes como metais pesados. O dispositivo utilizado para determinar as variações energéticas sem todos esses processos chama se calorímetro. Quanto à analogia, ela vem do professor José de Alencar Simoni, que juntamente com os professores Claudio Airoldi, Pedro Luiz Onofrio Volpe e Watson Loh, todos do Instituto de Química, participa de um projeto temático financiado ela FAPESP que visa estender a calorimetria para o leque de aplicações mencionadas anteriormente.
Trata-se de um projeto que desde seu início em 2002, até a conclusão prevista para 2008, terá envolvido mais de 30 pesquisadores de iniciação, mestrado, doutorado e pós-doutorado, com recursos que superaram R$ 500 mil. Como objetivo, a determinação de dados termodinâmicos de vários sistemas: ancoramento de moléculas orgânicas em superfície; intercalação em compostos lamelares; estudos de adsorção em superfícies de poli-silicatos naturais e sintéticos; ações de micro-organismos nos solos; estudos de macromoléculas; energética de crescimento de micro-organismos. Segundo o professor Claudio Airoldi,os objetivos foram plenamente alcançados e, em alguns casos, os estudos avançaram muito além do esperado. “Mas, como se sabe, este é um trabalho que não termina nunca”. “Agora pretendemos ampliar ouso da calorimetria para outras áreas do conhecimento, como agronomia, medicina, biologia e alimentos, pois a técnica de pesquisa aqui desenvolvida pode oferecer respostas rápidas e de alta sensibilidade, o que nem sempre se alcança por outros métodos comumente utilizados nessas áreas”, acrescenta José Simoni.
Ao antever essas possibilidades, Simoni volta a dar exemplos, explicando que a calorimetria permite determinar a energia de alimentos e estudar sua estabilidade nas condições de embalagem para saber do estado de conservação. Na biologia, a técnica pode ser empregada para acompanhar o crescimento de plantas e o desenvolvimento de sementes, interessando assim à agronomia. Na medicina, prossegue o pesquisador, a calorimetria auxilia na formulação de fármacos e a determinar sua ação contra vírus e bactérias, quando os métodos usuais trazem muitas incertezas. “A sensibilidade do calorímetro é tão grande que permite acompanhar a termogênese de um ovo de aranha, isto é, a energia liberada durante o seu desenvolvimento”, ilustra. Com um calorímetro apropriado é possível acompanhar o metabolismo de uma pessoa em diversas atividades, medindo- se diretamente a energia despendida – é acalorimetria direta. Em laboratórios voltados para atividades esportivas ou de pesquisa, mede-se o volume do oxigênio consumido ou do gás carbônico liberado, como uso de máscaras – é a calorimetria indireta. “Podemos estudar tanto o metabolismo de homens e animais como de micro-organismos”.
Os trabalhos – As atividades exercidas pelo grupo de pesquisadores do IQ são bastante diversificadas. No estudo de solos, por exemplo, as amostras são colocadas no calorímetro juntamente com um nutriente que vai promover a resposta energética do solo a ser medida. No caso de solos cultivados, a resposta energética permite avaliar se eles foram bem ou mal utilizados. “Solos extenuados consomem a matéria orgânica que lhe é adicionada, produzindo mais gás carbônico e, consequentemente, liberando mais energia”, observa Simoni. Claudio Airoldi explica que isso acontece porque em um solo depauperado os micro-organismos, que deveriam prepará-lo para atender ao metabolismo da planta, competem mais pelo alimento, comprometendo o desenvolvimento da cultura. Nessas condições, a resposta energética é diferente do que em solo bem tratado.
“O resultado é obtido em três ou quatro dias. Com as ferramentas convencionais utilizadas na agricultura, esse prazo seria de um a três anos”, Os trabalhos também focam as moléculas com implicações ambientais, como dos herbicidas, que têm parte absorvidapela planta, parte retida no solo e parte arrastados pelas chuvas, contaminando córregos, rios, lagos e lençóis freáticos. É um estudo importante para a implantação de políticas de preservação ambiental. De acordo com os pesquisadores, o mesmo agrotóxico que elimina pragas altera a biota do solo, responsável pela transformação das macromoléculas de celulose em moléculas menores e passíveis de serem absorvidas pelas plantas. Com isso, o solo tem diminuída sua fertilidade.
Um dos primeiros trabalhos do grupo com solos constatou que o sulfato de cobre, aspergido nas parreiras e que as colore de azul, provoca mesmo efeito quando vai para o solo, empobrecendo-o ao matar parte dos micro-organismos. Esses solos comprometidos, ao receberem nutrientes, liberam mais gás carbônico do que os solos não depauperados.
Tempo certo – Retomando a analogia, José Simoni ressalta que o calorímetro mede a energia liberada num determinado tempo, pois assim como acontece com um paciente febril, a resposta energética é diferente de quando ele está sadio. “Esta diferença possibilita, a partir da curva registrada pelo calorímetro, apenas a determinação de uma macro- equação química, como por exemplo: como o substrato adicionado está sendo absorvido pelo solo, quanto está se transformando em matéria incorporada pela planta e quanto está sendo liberado na forma de gás carbônico”,explica o professor.
Com isso, esclarece Simoni, se consegue elaborar uma equação química para descrever o sistema sem utilizar processos estritamente químicos, o que exigiria o manuseio das substâncias produzidas, como se faz convencionalmente. O manuseio significa interferir na amostra, sob risco de destruí-la.
“O calorímetro permite ainda trabalhar simultaneamente com várias amostras e compará-las com as oriundas da floresta”.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
ENERPAC – POWERFUL SOLUTIONS, GLOBAL FORCE – Engates Rápidos - www.enerpac.com – visualizado dia 19/03/2014 ás 12h00min; 
www.scielo.br/scielo.php?pid=S0006-87051964000100018&script=sci_arttext 19/05/2014 às 13h05 min.;
UNICAMP – www.unicamp.com.br – visualizado dia 19/05/2014 ás 12h31min; 
UNIVAL – www.unival.com.br - visualizado dia 19/05/204 ás 12h40min;