Sob pressão normal (ao nível do mar), a água entra em ebulição à temperatura de 100 o C. Tendo por base essa informação, um garoto residente em uma cidade litorânea fez a seguinte experiência:
• Colocou uma caneca metálica contendo água no fogareiro do fogão de sua casa.
• Quando a água começou a ferver, encostou cuidadosamente a extremidade mais estreita de uma seringa de injeção, desprovida de agulha, na superfície do líquido e, erguendo o êmbolo da seringa, aspirou certa quantidade de água para seu interior, tapando-a em seguida.
• Verificando após alguns instantes que a água da seringa havia parado de ferver, ele ergueu o êmbolo da seringa, constatando, intrigado, que a água voltou a ferver após um pequeno deslocamento do êmbolo.
Considerando o procedimento anterior, a água volta a ferver porque esse deslocamento:
A) permite a entrada de calor do ambiente externo para o interior da seringa.
B) provoca, por atrito, um aquecimento da água contida na seringa.
C) produz um aumento de volume que aumenta o ponto de ebulição da água.
D) proporciona uma queda de pressão no interior da seringa que diminui o ponto de ebulição da água.
E) possibilita uma diminuição da densidade da água que facilita sua ebulição.
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Resolução em Texto
📚 Matérias Necessárias para a Solução da Questão
- Física (Termodinâmica: Mudanças de Estado, Relação entre Pressão e Ponto de Ebulição)
- Gases (Relação entre Pressão e Volume)
🎯 Tema/Objetivo Geral: Compreender a dependência do ponto de ebulição de um líquido com a pressão exercida sobre sua superfície.
📊 Nível da Questão: Médio.
Por quê? A questão aborda um conceito físico contraintuitivo. A maioria das pessoas associa a ebulição exclusivamente ao aumento da temperatura. Entender que uma queda de pressão pode induzir a ebulição sem adicionar calor exige um raciocínio mais abstrato e a aplicação correta de princípios da termodinâmica.
✅ Gabarito: Alternativa D.
Resumo: Ao puxar o êmbolo, o volume interno da seringa aumenta, o que causa uma queda na pressão sobre a água. Com a pressão menor, o ponto de ebulição da água também diminui, fazendo com que ela volte a ferver, mesmo estando a uma temperatura inferior a 100 °C.
Passo 1: Análise do Comando e Definição do Objetivo
Transcrição Essencial 📌
“Considerando o procedimento anterior, a água volta a ferver porque esse deslocamento…”
O que está sendo pedido?
A questão pede a explicação física para o fenômeno da água voltando a ferver dentro da seringa quando o êmbolo é puxado, mesmo sem a adição de calor.
Objetivo Cristalino 💎
Nosso objetivo é conectar a ação mecânica de “erguer o êmbolo” com as suas consequências físicas dentro da seringa: a mudança de volume, a consequente mudança de pressão e, finalmente, a alteração no ponto de ebulição da água.
🧠 Pergunta de Atenção: Você já ouviu falar que é mais rápido cozinhar feijão na panela de pressão, mas mais demorado cozinhar macarrão no topo de uma montanha muito alta? O princípio físico por trás desses dois fatos é a chave para resolver esta questão!
Passo 2: Explicação de Conceitos e Conteúdo Necessários
Definição de Termos 🔖
- Ebulição (ou Ferver):
- O que é: Não é apenas “ficar muito quente”. A ebulição é o processo de mudança do estado líquido para o gasoso que ocorre em todo o volume do líquido (formando bolhas). Fisicamente, ela acontece quando a pressão de vapor do líquido se iguala à pressão externa exercida sobre ele.
- Pressão de Vapor: É a “força de escape” das moléculas do líquido. Aumenta com a temperatura.
- Pressão Externa: É a “força que aprisiona” as moléculas, exercida pela atmosfera ou, no caso, pelo vapor preso dentro da seringa.
- Relação entre Pressão e Ponto de Ebulição:
- Esta é a regra de ouro: o ponto de ebulição de um líquido depende diretamente da pressão externa.
- Alta Pressão: Aumenta o ponto de ebulição. É mais difícil para as moléculas escaparem. (Ex: Panela de pressão, a água ferve a ~120 °C).
- Baixa Pressão: Diminui o ponto de ebulição. É mais fácil para as moléculas escaparem. (Ex: No topo do Monte Everest, a água ferve a ~70 °C).
Passo 3: Tradução e Interpretação do Problema
Contextualização Simplificada 💬
Imagine as moléculas de água como pessoas tentando sair de uma sala (o estado líquido). A temperatura é a energia que elas têm para empurrar a porta. A pressão externa é a força com que alguém segura a porta do lado de fora. No nível do mar, a porta está sendo segurada com força (pressão normal), então as pessoas precisam de muita energia (100 °C) para abri-la. O garoto coloca essa “multidão energética” dentro da seringa e fecha a porta. Ao puxar o êmbolo, ele está, na verdade, enfraquecendo a força que segura a porta (diminuindo a pressão). Agora, mesmo com um pouco menos de energia (temperatura < 100 °C), as pessoas conseguem abrir a porta e escapar (a água ferve).
Estratégia Geral 🗺️
Vamos analisar a sequência de eventos dentro da seringa. Primeiro, vamos entender por que a água para de ferver. Depois, vamos analisar o que a ação de puxar o êmbolo causa na pressão interna e como isso afeta a condição para a água ferver novamente.
Passo 4: Desenvolvimento do Raciocínio
Passo a Passo Detalhado 👣
- Situação Inicial: Água fervendo a 100 °C é aspirada. A seringa é tapada. O espaço acima da água fica preenchido com vapor de água a uma alta pressão.
- Por que para de ferver? A seringa e a água perdem um pouco de calor para o ambiente, e a temperatura da água cai ligeiramente (para 99 °C, por exemplo). Como a pressão interna ainda é alta, 99 °C não é suficiente para ferver.
- A Ação: O garoto ergue (puxa) o êmbolo.
- A Consequência Física Imediata: Ao puxar o êmbolo, o volume do espaço onde o vapor está aprisionado aumenta.
- A Consequência na Pressão: Pela lei dos gases, quando o volume de um gás (ou vapor) aprisionado aumenta, sua pressão diminui drasticamente. A pressão sobre a superfície da água dentro da seringa agora é bem menor que a pressão atmosférica.
- A Consequência no Ponto de Ebulição: Como o ponto de ebulição depende da pressão, a temperatura necessária para a água ferver também diminui. O novo ponto de ebulição pode ser, por exemplo, 95 °C.
- O “Milagre”: A água, que estava a 99 °C, agora se encontra em uma condição onde a temperatura para ferver é de apenas 95 °C. Como sua temperatura atual (99 °C) é maior que seu novo ponto de ebulição (95 °C), ela volta a ferver violentamente.
A Armadilha Comum 🚨
A principal armadilha é buscar uma explicação baseada em calor ou temperatura. Alternativas como “entrada de calor” (A) ou “aquecimento por atrito” (B) parecem plausíveis, mas são incorretas. O fenômeno é rápido demais para uma troca de calor significativa, e o calor gerado por atrito é desprezível. A chave do problema não é aumentar a temperatura da água, mas sim diminuir o “obstáculo” para a ebulição, que é a pressão.
Fechamento e Expectativa
A análise nos leva a procurar a alternativa que conecta o movimento do êmbolo a uma queda de pressão e, consequentemente, a uma diminuição do ponto de ebulição.
Passo 5: Análise das Alternativas
A) permite a entrada de calor do ambiente externo para o interior da seringa. (🔴) Incorreta. A seringa de plástico é um isolante térmico razoável, e o processo é muito rápido para que haja uma entrada de calor significativa a ponto de reaquecer a água até a ebulição.
B) provoca, por atrito, um aquecimento da água contida na seringa. (🔴) Incorreta. O calor gerado pelo atrito do êmbolo é mínimo e insuficiente para causar a ebulição de todo o volume de água.
C) produz um aumento de volume que aumenta o ponto de ebulição da água. (🔴) Incorreta. A lógica está invertida. Um aumento de volume causa uma diminuição da pressão, o que diminui (e não aumenta) o ponto de ebulição.
D) proporciona uma queda de pressão no interior da seringa que diminui o ponto de ebulição da água. (🟢) Correta. Esta alternativa descreve perfeitamente a cadeia de eventos físicos: o aumento do volume pelo deslocamento do êmbolo causa uma queda de pressão interna, o que, por sua vez, reduz a temperatura necessária para a água ferver, fazendo-a entrar em ebulição novamente.
E) possibilita uma diminuição da densidade da água que facilita sua ebulição. (🔴) Incorreta. Embora a densidade da água mude com a temperatura, ela não é a causa direta da ebulição neste experimento. A pressão é a variável fundamental que está sendo manipulada.
Passo 6: Conclusão e Justificativa Final
Resumo do Raciocínio 📝
O experimento demonstra a forte relação entre pressão e ponto de ebulição. Ao puxar o êmbolo da seringa selada, o volume interno aumenta, causando uma queda abrupta na pressão exercida sobre a superfície da água. Essa redução de pressão diminui o ponto de ebulição da água para uma temperatura abaixo da qual ela se encontrava, fazendo-a ferver instantaneamente sem a necessidade de calor adicional.
Gabarito Reafirmado 🏅
A alternativa correta é a D.
Resumo Final para Revisão 🔍
Lembre-se da regra da pressão: Panela de Pressão (alta P) → Ferve mais quente (>100°C). Topo da Montanha (baixa P) → Ferve mais frio (<100°C). A seringa funciona como uma “anti-panela de pressão”
