Lava Luz

INTRODUÇÃO

Esta experiência científica é realizada a propósito do subtema ”Combustíveis, Energia e Ambiente” e visa relacionar os conceitos de densidade, como esta varia com a temperatura bem como a dilatação térmica. Deste modo, com a atividade “Lava Luz”, pretendemos criar um efeito visual atrativo e consolidar os conhecimentos sobre os processos de conversão de energia.

FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

Energia e calor

Aquando do estudo das variações de energia, a porção de estudo é designada de sistema e a vizinhança é o espaço em redor que varia conforme a situação. Existem diferentes tipos de sistemas:

Figura 1- Esquema explicativo dos tipos de sistemas: isolado, fechado e aberto.

Se o sistema for isolado, a sua energia interna mantém-se constante. Caso contrário, pode haver transferências de energia.

Figura 2- Esquema explicativo dos processos de transferência de energia: calor, trabalho e radiação.

Relação da termodinamica com o calor

A termodinâmica trata da relação entre o calor e as outras formas de energia. A energia pode ser transferida através de interações entre o sistema e suas vizinhanças. Estas interações são denominadas calor e trabalho.

®    A 1ª Lei da Termodinâmica governa quantitativamente estas interações e pode ser enunciada assim: "A variação de energia de um sistema é sempre igual à transferência de energia na forma de calor e trabalho".

®    A 2ª Lei da Termodinâmica aponta a direção destas interações e pode ser enunciada assim: "É impossível o processo cujo único resultado seja a transferência líquida de calor de uma região fria para uma região quente". 

Fluxo de calor

Para que um corpo seja aquecido, normalmente, usa-se uma fonte térmica de potência constante, ou seja, uma fonte capaz de fornecer uma quantidade de calor por unidade de tempo.

Definimos fluxo de calor (Φ) que a fonte fornece de maneira constante como o quociente entre a quantidade de calor (Q) e o intervalo de tempo de exposição (Δt):

Efeitos do calor

            Quando uma substancia é aquecida, podem dar-se mudanças a nível dessa susbtância:

Figura 3- Esquema explicativo dos efeitos do calor numa substância: mudança de temperatura, estado e volume.

Calor e temperatura

Os conceitos de calor e temperatura são distintos.

Podemos definir temperatura como sendo uma medida da energia cinética média das moléculas ou átomos individuais constituintes do sistema enquanto que calor é definido como energia cinética total dos átomos e moléculas que compõem a porção em estudo. A sua distinção é mais concreta aplicando a um exemplo real:

®    A temperatura de um copo de água a ferver é a mesma que a da água a ferver de um balde. Contudo, o balde de água a ferver tem uma maior quantidade de energia que o copo de água. Portanto, a quantidade de calor depende da massa do material, a temperatura não. (Q=mcΔT).

Figura 4- Esquema explicativo acerca da diferença entre tempertaura e calor.

Embora os conceitos mencionados sejam diferentes eles são relacionados. O fluxo de calor só se processa entre sistemas a diferentes temperaturas, como já foi mencionado, e graças ao ganho ou à perda de energia, a temperatura do corpo pode alterar-se.

Reação exotérmica e endotérmica

Se uma reação é exotérmica (E_inicial > E_final) ocorre num sistema:

·         Isolado- a temperatura do sistema aumenta;

·         Fechado- a temperatura do sistema aumenta e depois evolui para a temperatura ambiente.

Se uma reação é endotérmica (E_inicial < E_final) ocorre num sistema:

·         Isolado- a temperatura do sistema diminui;

·         Fechado- a temperatura do sistema diminui e depois evolui para a temperatura ambiente.

Mecanismos de transferência de calor

O calor é, portanto um fenómeno transitório, que cessa quando não existe mais uma diferença de temperatura. Os diferentes processos de transferência de calor são referidos como mecanismos de transferência de calor. Existem três mecanismos: radiação, condução e convecção.

A radiação consiste na propagação da energia sob forma de ondas eletromagnéticas viajando à velocidade da luz sem necessitar de um meio para se propagar.

            A condução ocorre dentro de uma substância ou entre substâncias que estão em contato físico direto. Na condução a energia cinética dos átomos e moléculas (isto é, o calor) é transferida por colisões entre átomos e moléculas vizinhas. O calor flui das temperaturas mais altas (moléculas com maior energia cinética) para as temperaturas mais baixas (moléculas com menor energia cinética).

A capacidade das substâncias para conduzir calor (condutividade) varia consideravelmente. Normalmente, os sólidos são melhores condutores que líquidos e líquidos são melhores condutores que gases. Num extremo, metais são excelentes condutores de calor e no outro extremo, o ar é um péssimo condutor de calor.

A convecção ocorre somente em líquidos e gases. Consiste na transferência de calor dentro de um fluído através de movimentos do próprio fluído existindo transporte de matéria. A convecção ocorre como consequência de diferenças na densidade do ar resultando as correntes de convecção.

Figura 5- Exemplicação de mecanismos de transferência de calor.

Correntes de convecção

As correntes de convecção são os movimentos dos fluidos graças à diferença de temperatura e, por conseguinte, de densidade.

            Quando aquecemos um fluido, inicialmente só a região próxima a fonte de calor se aquece, as partículas dessa porção irão possuir uma maior energia cinética que fará com que essas vibrem ocupando assim um maior espaço, ou seja, expandem-se.

Figura 6- Variação da energia cinética das partículas com o calor.

Esse aumento no volume, sem alteração na massa, leva a uma diminuição da densidade do fluido nessa região. Como os fluidos densos ficam abaixo dos menos densos, o fluido aquecido e menos denso começa a subir provocando assim uma corrente ascendente.

 Figura 7a- Correntes de convecção ascendentes.

À medida que a corrente quente sobe, vai ocorrendo o aquecimento dos níveis acima, enquanto isso ela própria vai esfriando, sofrendo agora um processo inverso ao inicial, pois a sua densidade volta a aumentar, por consequência disso volta a descer, reiniciando o processo. Formando-se assim as correntes de convecção, pelas qual o fluido se aquece.

Figura 7b- Correntes de convecção descendentes.

REAGENTES

- Óleo;

- Corante;

- Álcool etílico (96%);

- Água.

MATERIAL

- Lata de metal;

- Vela;

- Areia;

- Frasco de vidro;

- Gobelés;

- Conta gotas;

- Vareta de vidro;

- Seringa;

- Fósforos.

PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

Preparação do suporte da experiência

1.      Conceberam-se pequenas aberturas na lata de metal para a entrada de oxigénio;

2.      Colocou-se areia abaixo do nível das aberturas;

3.      Pousou-se a vela no interior da lata.

Preparação da solução

1.      Adicionou-se algumas gotas de corante a 100mL de água num gobelé;

2.      Noutro gobelé, verteu-se 40mL de álcool etílico (96%) e acrescentou-se algumas gotas de óleo como indicador de densidade;

3.      Com um conta gotas juntou-se a água com corante à solução anterior até o óleo emergir;

4.      Verteu-se a solução para o frasco de vidro e preenchemos com óleo até ao topo;

5.      Deixou-se repousar.

Montagem da experiência

1.      Acendeu-se a vela;

2.      Colocou-se o frasco de vidro com a respectiva solução em cima da lata de metal e aguardaram-se uns instantes até se verificar movimentos na solução.

REGISTO DE DADOS/ OBSERVAÇÕES

Simulação

           Iniciámos a simulação desta pré-experiência com a montagem da sua estrutura. Pegámos num candeeiro lava luz já existente, esvaziámos o seu conteúdo e iniciámos a simulação com água contendo corante e óleo com posterior colocação de uma pastilha efervescente nesta solução.

Depois de a colocarmos na solução, esta emergiu até à água contendo corante, e é aí que tudo acontece. Quando esta entra em contacto com a água, pudémos observar que ocorre a libertação de bolhas de ar que arrastam consigo partes da fração colorida, que quando chegam ao topo e o gás e libertado, voltam a descer até à base.

Conseguimos obter assim uma simulação das correntes de convecção originárias dos candeeiros lava luz.

Com o passar do tempo, a pastilha consome-se e deixa de fazer efeito, fazendo com que a solução estabilize, voltando ao seu estado inicial.

Lava Luz

Podemos observar que à medida que o tempo passa a solução vai adquirindo movimentos convectivos, fazendo assim com que esta quando se encontra na base seja aquecida e ascenda até ao topo.

Quando a solução chega ao topo arrefece e observamos que esta adquire um movimento descendente e assim sucessivamente.

DISCUSSÃO DE RESULTADOS

Densidades:

_óleo= 0,92g/cm³ (PTN)

_{álcool etílico}= 0,79g/cm³ (PTN)

_água= 1,00g/cm³ (PTN)

_{fração colorida} ≃_{fração transparente} *

* Sendo a densidade da fração colorida ligeiramente maior que a da fração transparente.

Na atividade experimental “Lava luz”, o frasco com a solução é considerado um sistema fechado por ser um sistema que realiza trocas de energia com a vizinhança mas não realiza trocas de matéria.

No suporte com aberturas onde está contida a vela já acesa, ocorre a reação de combustão sendo o combustível a cera e o comburente o oxigénio proveniente do ar que entra pelas aberturas. A reação de combustão da vela liberta energia sob a forma de calor que é propagada pela radiação até ao frasco neste mesmo sentido, seguindo a 2ª lei da termodinâmica.

Ao aquecer a solução do frasco contendo frações duas frações líquidas diferentes que não se misturam só a parte colorida aquece por estar mais próxima da fonte, ou seja, por estar disposta na base do frasco, essa disposição ocorre por esta componente ter uma densidade ligeiramente maior que a fração transparente.

Como efeito do calor, a cota colorida vai adquirir uma maior energia cinética, o que provoca uma maior vibração das partículas constituintes, necessitando assim de um maior espaço, expandindo-se. Como consequência da sua expansão, a sua densidade diminui.

Graças aos efeitos do calor, inicia-se na solução outro mecanismo de transferência de energia dentro do próprio fluido denominado de convecção e onde se verificam as correntes de convecção.

Sabendo que anteriormente, as duas frações tinham as densidades aproximadas, a parte colorida ao diminuir a sua densidade, possuirá uma densidade menor que a parte transparente e como o fluido de menor densidade dispõe-se acima do fluido de maior densidade, efetuam-se movimentos de ascensão por parte da cota colorida.

A componente colorida ao ascender vai arrefecer, aumentando a sua densidade e a componente transparente, disposta em baixo vai aquecendo diminuindo a sua densidade dando-se a assim o processo oposto ao inicial. Este processo repete-se indefinamente enquanto existir uma fonte de calor, neste caso até a vela se extinguir.

A injeção de álcool etilico na cota colorida serve para diminuir a sua densidade para se efectuar o processo de convecção mais facilmente.

Na simulação, não se verificam correntes de convecção, mas o processo pretende representar o mesmo efeito.

            O comprimido efervescente é constituido por bicarbonato de sódio, ácido cítrico, entre outros. A reação destes componentes com a água constituinte da cota colorida desencadeia uma reação onde ocorre efervercência, ou seja, libertação de um gás que neste caso é CO₂ (dióxido de carbono). Ao ser libertado para a atmosfera arrasta partes da fração colorida a água até a superfície. Na libertação do gás, a parte colorida realiza um movimento descendente até a base do pote.

CONCLUSÃO

Com esta experiência, conseguimos entender melhor e consolidar os nossos conhecimentos acerca da densidade, da sua variação com a temperatura bem como o conceito de dilatação térmica, com base no subtema dos conteúdos de química de 12º ano: “Combustíveis, energia e ambiente”.

Com a utilização de materiais básicos do nosso quotidiano, conseguimos obter um candeeiro Lava luz, que proporciona um belo efeito visual e atrativo, daí termos escolhido este experimento, pois encontra-se diretamente relacionado com a arte.

Pudemos concluir também, que o nosso candeeiro é um sistema fechado, pois realiza trocas de energia, mas não de matéria e que este se move devido às correntes de convecção proporcionadas pela diferença de tempertatura e, consequente diferença de densidade dos dois componentes.

Na simulação, conseguimos obter o mesmo efeito, mas devido ao gás libertado pela pastilha efervescente. Esta experiência é menos eficaz, pois finaliza com o acabamento da pastilha. O mesmo não acontece com o candeeiro movido a calor, que tendo sempre uma fonte de energia, o efeito é duradouro.

WEBGRAFIA

https://www.youtube.com/watch?v=PUWoC6NIVmc&feature=youtu.be

http://www.mundogump.com.br/como-construir-sua-propria-lava-lamp/

http://www.qnesc.sbq.org.br/online/qnesc19/a13.pdf

Simões, T., Queirós, M. & Simões, M. (2009). Química em Contexto: 2. Combustíveis, Ener-gia e Ambiente, Química 12º ano, 1ª edição. Porto, Portugal