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Todos nós já vimos como os cubos de gelo derretem quando são colocados na água ou em algum outro líquido. Também vimos como o gelo colocado sobre uma mesa se transforma lentamente em uma pequena poça de água fria. Mas em qual dos dois casos ele derrete mais rápido?
Este artigo busca ilustrar alguns conceitos importantes sobre transferência de calor a partir da análise de um dos fenômenos de fusão mais comuns aos quais estamos expostos em nosso cotidiano: o derretimento de um cubo de gelo.
Para nossa discussão, vamos começar definindo alguns conceitos importantes.
o processo de fusão
O derretimento de um cubo de gelo é um processo físico de mudança de fase no qual a água passa do estado sólido para o estado líquido. Este tipo de mudança de fase é chamado de fusão e é um processo endotérmico. O último significa que o gelo deve absorver calor para derreter; isto é, deve quebrar as forças intermoleculares que mantêm as moléculas de água firmemente juntas no gelo.
Esse processo pode ser representado pela seguinte equação:
onde Q fusão é o calor que a água deve absorver para derreter.
Como você pode ver, tudo o que é necessário para derreter o gelo é o calor. Portanto, para determinar quando o gelo derrete mais rápido, se na água ou no ar, o que realmente temos que perguntar é em que situação o gelo pode absorver o calor mais rapidamente.
Variáveis que afetam o processo de fusão
A fusão é um processo que depende de vários fatores como temperatura, pressão e presença de solutos no líquido.
temperatura de fusão
Primeiro, essa mudança de fase ocorre ou é observada em uma temperatura específica chamada ponto de fusão. O que isso significa é que, para uma substância estar no estado sólido, ela deve estar a uma temperatura abaixo de seu ponto de fusão.
O contrário também é verdade. Sempre que vemos uma substância em estado sólido (como o gelo) que não está derretendo, podemos ter certeza de que ela está a uma temperatura abaixo de seu ponto de fusão. Para derretê-lo, devemos primeiro aquecer o sólido até seu ponto de fusão e, em seguida, adicionar mais calor para derretê-lo.
Isso tem uma implicação importante para o nosso problema: ao considerar onde um gelo derreterá mais rapidamente, devemos garantir que em ambos os casos o gelo em questão esteja na mesma temperatura inicial. Caso contrário, mais calor será necessário em um caso para levar o gelo ao seu ponto de fusão.
efeito de pressão
O ponto de fusão da maioria dos sólidos aumenta com a pressão, mas no caso da água, ocorre exatamente o contrário. Isso se deve a uma propriedade anômala da água, que é que, ao contrário da grande maioria das substâncias puras, a água em estado sólido (ou seja, gelo) é menos densa que a água líquida.
Isso causa um aumento na pressão para ajudar a transformar o gelo em água (que tem um volume específico menor). Portanto, menos energia térmica é necessária para separar as moléculas de água e derreter o gelo, e o gelo derrete a uma temperatura mais baixa (isto é, mais facilmente).
efeito soluto
Por outro lado, a presença de solutos ou impurezas dissolvidas em um líquido também é um fator que afeta o ponto de fusão. Na verdade, é uma propriedade coligativa de soluções chamada depressão crioscópica ou depressão do ponto de fusão.
Dados esses dois fatores que podem afetar o ponto de fusão da água e, portanto, podem afetar a rapidez com que um cubo de gelo derrete em tal e tal meio, devemos nos certificar de continuar a análise garantindo que em ambos os casos estamos lidando com água completamente puro e livre de qualquer soluto. Também devemos garantir que em ambos os casos a pressão atmosférica seja a mesma e permaneça constante. Isso facilitará muito a análise do problema para que possamos nos concentrar na única variável que nos interessa: se o gelo está rodeado por água líquida ou ar.
Mecanismos de transferência de calor
Já esclarecemos que para um gelo derreter ele precisa absorver calor do ambiente. Esse calor cumprirá primeiro o papel de aquecer o cubo de gelo até seu ponto de fusão e, em seguida, realizar o próprio processo de fusão.
Se começarmos com dois cubos de gelo do mesmo tamanho, forma e massa, feitos de água completamente pura e que estejam na mesma temperatura inicial, ambos os cubos de gelo precisarão exatamente da mesma quantidade de calor para derreter.
Portanto, o que devemos analisar é onde o gelo poderá absorver o calor mais rapidamente: do ar ou da água líquida. Para isso, devemos entender as diferentes formas pelas quais o calor pode ser transferido, que são: convecção, condução e radiação.
condução de calor
Esse mecanismo de transferência é aquele que ocorre pelo contato direto entre as partículas que formam dois corpos (ou dois sistemas termodinâmicos) que estão em temperaturas diferentes. É o tipo de transferência que ocorre quando queimamos as mãos ao tocar em uma panela quente, por exemplo. É também o tipo de troca de calor que ocorre entre o gelo e a água ou entre o gelo e o ar.
A taxa de condução de calor depende de vários fatores. Entre eles estão a superfície de contato, o gradiente de temperatura (ou seja, a diferença de temperatura entre dois pontos dividida pela distância) e a condutividade térmica do meio (que nada mais é do que uma medida de quão bem o calor conduz um material).
De todas essas variáveis, podemos controlar a superfície de contato garantindo que ambos os gelos tenham a mesma forma e as mesmas dimensões. Também podemos controlar o gradiente de temperatura controlando a temperatura inicial do gelo, da água e do ar. No entanto, a condutividade térmica será diferente no caso do ar e da água.
convecção
A convecção é um fenômeno que ocorre em fluidos, como líquidos e gases. Consiste no movimento de partículas fluidas que estão em uma temperatura em direção a áreas onde a temperatura é diferente. A convecção pode ser natural se o movimento for gerado por diferenças de densidade causadas por diferenças de temperatura, ou pode ser produzida mecanicamente como quando alimentos quentes são soprados.
a radiação
Finalmente, toda superfície emite energia na forma de radiação eletromagnética. Por exemplo, o fogo é capaz de nos aquecer com sua claridade mesmo que não entremos em contato com o ar quente que emana por convecção.
Então, onde o gelo derrete mais rápido?
Agora temos todas as ferramentas para responder a essa pergunta. Para simplificar ao máximo a análise, vamos manter constantes todas as variáveis que podem afetar o derretimento da água e manter apenas aquelas que dependem diretamente do ar e da água.
Começamos com dois cubos de gelo idênticos feitos de água pura, com a mesma forma e o mesmo tamanho; ambos estão na mesma temperatura inicial. Mergulhamos um em um grande recipiente com água na mesma temperatura do ar, e colocamos o outro em cima de uma superfície isolante térmica em contato com o ar. Fazemos todo o experimento em uma sala fechada onde não há correntes de ar, minimizando todas as formas de transferência de calor, exceto condução.
Além disso, a condução será determinada principalmente pelo material do meio; em ambos os casos, o gradiente de temperatura será essencialmente o mesmo e a superfície de contato será a mesma, de modo que a taxa de transferência de calor e, portanto, a velocidade com que o gelo derreterá, dependerá principalmente da condutividade térmica da metade.
Como a água conduz calor quase 30 vezes mais rápido que o ar, o gelo derreterá mais rápido na água .
Fatores adicionais a serem considerados
Deve-se notar que o exposto acima não representa uma análise profunda e detalhada do problema. Por exemplo, não está sendo considerado o fato do gelo flutuar na água, então uma parte dele ficará exposta ao ar e não estará em contato térmico com a água.
O mesmo acontece com o gelo que está no ar, pois ele necessariamente deve estar apoiado em alguma superfície, então uma de suas faces não estará em contato com o ar e sim com aquela superfície. Se a condutividade térmica dessa superfície for maior que a do ar, o gelo absorverá o calor mais rapidamente por essa superfície, derretendo mais rapidamente.
Além disso, ao derreter, aumenta a área de superfície do gelo derretido (ou seja, água) em contato com a superfície, agravando o efeito.
Apesar disso, pode-se estimar que esses efeitos serão menores quando comparados à grande diferença entre as condutividades térmicas da água e do ar.
Referências
- Connor, N. (2020, 8 de janeiro). Qual é a condutividade térmica da água e do vapor? – Definição . Obtido em https://www.thermal-engineering.org/es/que-es-la-conductividad-termica-del-agua-y-el-vapor-definicion/
- Laplace.us. (nd). Propriedades da água . Obtido em http://laplace.us.es/wiki/index.php/Propiedades_del_agua
- MINEDUC. (2019). Transferência de calor . Obtido em https://www.mineduc.gob.gt/DIGECADE/documents/Telesecundaria/Recursos%20Digitales/3o%20Recursos%20Digitales%20TS%20BY-SA%203.0/CIENCIAS%20NATURALES/U9%20pp%20210%20transferencia% 20of%20heat.pdf
- Instrumentos Thermotest. (2020, 28 de agosto). Materiais termicamente condutores e aplicações comuns . Obtido em https://thermtest.com/latinamerica/materiales-termicamente-conductores-y-aplicaciones-comunes
