Na Termodinâmica, um dos principais assuntos é a dilatação térmica. Num geral, a regra na vasta maioria das substâncias, é direta: ao fornecer calor a um corpo, aumentamos a agitação de suas partículas, fazendo com que elas ocupem mais espaço. Contudo, a água exibe um comportamento que foge um tanto do normal. Veja mais sobre este assunto no artigo a seguir:
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O “comportamento rebelde” da água
Para compreender melhor sobre o comportamento anômalo da água, é necessário inicialmente entender a regra geral do funcionamento da dilatação térmica. De modo geral, quando um corpo é submetido a um aumento de temperatura, suas partículas passam a vibrar com mais intensidade, fazendo com que se afastem umas das outras.
Esse afastamento resulta em um aumento do volume do corpo — fenômeno conhecido como dilatação térmica. Como a massa do material permanece constante durante esse processo, o aumento do volume provoca uma diminuição da densidade (já que densidade é a razão entre massa e volume).
De forma inversa, quando ocorre uma redução de temperatura, as partículas se aproximam, o volume diminui e, consequentemente, a densidade aumenta. Esse comportamento é observado em sólidos, líquidos e gases, embora com intensidades diferentes em cada estado físico.
Isso ocorre para todas as substâncias, contudo, a substância mais vital para a vida na Terra, a água, um intervalo de temperatura crucial, ela desafia essa regra universal. Este fenômeno, conhecido como a dilatação anômala da água, anômalo por fugir do normal
Descrevendo a anomalia
A anomalia da água é um fenômeno curioso que ocorre em um intervalo muito específico de temperatura: entre 0 °C e 4 °C. Normalmente, quando uma substância é aquecida, ela se dilata — ou seja, seu volume aumenta.
No entanto, quando o gelo a 0 °C recebe calor, ele derrete, transformando-se em água líquida ainda a 0 °C. Se continuarmos a aquecer essa água, em vez de dilatar, ela se contrai, diminuindo de volume até atingir a temperatura de 4 °C.
A partir de 4 °C, o comportamento volta ao esperado: conforme a temperatura aumenta, a água se expande novamente, seguindo a regra geral da dilatação térmica.
O Ponto crucial
A densidade é definida como a massa dividida pelo volume ρ = m/V. Como o volume da água é mínimo a 4°, segue-se, por uma relação inversa, que sua densidade é máxima exatamente nesta temperatura.
Este fato é o pilar de todo o fenômeno e suas consequências. Nenhuma outra temperatura, seja mais fria ou mais quente, resulta em água líquida mais densa do que a 4°C.
O porquê da água se comportar assim
A chave para entender essa anomalia não está na termodinâmica clássica da agitação, mas sim na estrutura molecular da água e nas Ligações de Hidrogênio (ou Pontes de Hidrogênio).
A molécula de água é polar, dessa maneira o oxigênio, sendo altamente eletronegativo, atrai os elétrons e cria uma região de carga parcialmente negativa, enquanto os átomos de hidrogênio ficam com cargas parcialmente positivas.
Essa polaridade permite a formação de ligações de hidrogênio, nas quais o hidrogênio de uma molécula é fortemente atraído pelo oxigênio de outra. No estado sólido (gelo), essas ligações organizam as moléculas em uma estrutura cristalina rígida, hexagonal e “aberta”, com grandes espaços vazios entre as moléculas. Por causa desses vazios, o gelo é menos denso que a água líquida e, portanto, flutua.
Quando o gelo derrete, por volta de 0°, sua estrutura cristalina se desorganiza. As moléculas ganham liberdade de movimento, parte das ligações de hidrogênio se rompe e as moléculas passam a ocupar os espaços vazios que existiam no gelo. Assim, a água líquida a 0° torna-se mais densa que o gelo na mesma temperatura, pois há mais moléculas por volume.
Entre 0° e 4°, ocorre uma “batalha” entre dois efeitos opostos. O primeiro é o rompimento das ligações de hidrogênio restantes, que faz as moléculas se aproximarem e o líquido se contrair. O segundo é o aumento da agitação térmica, que tende a afastar as moléculas e provocar dilatação. Nesse intervalo, o efeito de contração predomina, fazendo o volume diminuir conforme a temperatura sobe.
A 4°C, a água atinge sua densidade máxima. Quase todas as estruturas semelhantes ao gelo já se desfizeram, e as moléculas estão o mais próximas possível umas das outras, atingindo o ponto de máxima compactação.
Acima de 4°C, o rompimento de estruturas abertas deixa de influenciar, e a expansão térmica passa a dominar. A partir dessa temperatura, a água se comporta de forma “normal”, expandindo-se e reduzindo sua densidade à medida que é aquecida.
As consequências da dilatação anômala
Quando o inverno se aproxima e a temperatura do ar cai abaixo de zero, ocorrem fenômenos interessantes nos lagos e rios, não é apenas uma exceção física, mas sim um mecanismo de manutenção da vida aquática.
Primeiro, o ar frio rouba calor da superfície da água, que se torna mais densa e afunda. A água mais quente e menos densa do fundo sobe, perde calor e afunda. Esse ciclo de resfriamento continua até que toda a água do lago atinja a temperatura de 4°C, ponto em que a densidade é máxima.
Nesse momento, se a superfície continuar esfriando e a temperatura cair de 4°C para 3°C, até atingir 0°C, a água passa a ficar menos densa em vez de mais densa. Por causa dessa “anomalia” da água, a camada mais fria permanece na superfície, flutuando sobre a água de 4°C que permanece no fundo.
Com a continuidade do resfriamento, a superfície atinge 0° e congela, formando uma camada de gelo. Esse gelo, que é ainda menos denso, flutua e funciona como um isolante térmico — uma espécie de “cobertor” natural que impede o ar gelado de retirar o calor da água abaixo.
Graças a esse comportamento singular da água, mesmo em invernos rigorosos, o fundo dos lagos e rios permanece líquido. Isso garante a sobrevivência dos peixes e do ecossistema aquático durante o frio.
Se a água não apresentasse essa anomalia, ao esfriar, ela se tornaria cada vez mais densa até o congelamento. Assim, os lagos congelariam de baixo para cima, acumulando camadas de gelo que o sol do verão não conseguiria derreter. Em poucos anos, formariam blocos de gelo permanentes, impossibilitando a sobrevivência da vida aquática.
Problemas que envolvem dilatação anômala
A anomalia da água está diretamente relacionada à dilatação volumétrica, descrita pela fórmula Δ𝑉=𝑉0⋅𝛾⋅Δ𝑇. Diferente da maioria das substâncias, o coeficiente de dilatação volumétrica (γ) da água não é constante, entre 0°C e 4°C assume valores negativos, o que significa que, ao aquecer dentro desse intervalo de temperatura, o volume da água diminui.
Acima de 4°C, γ volta a ser positivo, e a água passa a se expandir normalmente com o aumento da temperatura. Essa mudança de sinal em γ explica o comportamento anômalo da água e sua importância em fenômenos como a estabilidade térmica dos lagos.
As questões sobre a anomalia da água abordam aspectos conceituais e quantitativos. É comum perguntas sobre o gráfico densidade × temperatura, além de situações que envolvem a estratificação térmica em lagos, explicando por que a água mais fria permanece na superfície.
Também aparecem cálculos de variação de volume ou densidade ao aquecer ou resfriar a água em faixas que incluem o intervalo anômalo (0°C a 10°C), além de comparações diretas entre temperaturas, como 2°C e 6°C.
Para resolver esses exercícios, é importante visualizar os gráficos de volume e densidade em função da temperatura, lembrar que a densidade máxima e aplicar a fórmula de densidade. Em cálculos, deve-se dividir o problema em dois intervalos: o de anomalia, onde o coeficiente de dilatação volumétrica (γ) é negativo; e acima de 4°C, onde γ é positivo.
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