(ENEM) Sob pressão normal (ao nível do mar), a água entra em ebulição à temperatura de 100^{\circ} \mathrm{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.

Passo 1

Liste do que o enunciado nos dá e o que ele pede:
  • Informação dada: À pressão normal (ao nível do mar) a água entra em ebulição a 100^\circ\mathrm{C}.
  • Procedimento descrito:
    • O garoto coloca uma seringa (sem agulha) com a ponta na superfície da água que está fervendo e puxa o êmbolo, aspirando água para dentro da seringa.
    • Ele tampa a seringa.
    • Após alguns instantes, a água dentro da seringa tinha parado de ferver.
    • Ao erguer o êmbolo da seringa um pouco (pequeno deslocamento), a água voltou a ferver.
  • Pergunta: Qual das alternativas explica por que a água volta a ferver após esse pequeno deslocamento do êmbolo?

Passo 2

Conceito-chave: ponto de ebulição e pressão de vapor.
  • A água (ou qualquer líquido) tem uma pressão de vapor saturante \,p_{\text{sat}}(T)\, que depende só da temperatura T. Essa é a pressão que o vapor exerce quando líquido e vapor estão em equilíbrio àquela temperatura.
  • A ebulição ocorre quando a pressão no ambiente que envolve o líquido é igual à pressão de vapor saturante àquela temperatura; em outras palavras, borbulhas de vapor podem crescer no interior do líquido quando a pressão externa é igual ou menor que \,p_{\text{sat}}(T)\,.
  • Em particular, o ponto de ebulição a uma dada pressão externa P_{\text{ext}} satisfaz \,p_{\text{sat}}(T_b)=P_{\text{ext}}\,. Assim, se a pressão externa diminui, o valor de T_b necessário para que \,p_{\text{sat}}(T_b)=P_{\text{ext}}\, também diminui — isto é, o ponto de ebulição cai com a queda de pressão (ex.: ferver mais facilmente em altas altitudes).

Passo 3

Situação da seringa e por que a água pode ter parado de ferver antes do deslocamento:
  • Ao aspirar água da panela fervente, dentro da seringa ficam líquid o e vapor em contato, inicialmente em condições próximas à pressão atmosférica P_{\text{atm}}.
  • Quando a seringa é tampada e retirada do calor efetivo (ou quando o conjunto alcança um novo equilíbrio térmico), é possível que o balanço entre calor fornecido e perda para o ambiente faça cessar a ebulição: o sistema atinge um equilíbrio em que a pressão interna e a temperatura se ajustam de modo que não haja mais formação rápida de bolhas.
  • O ponto importante: dentro da seringa existe um volume de gás (vapor) e um volume de líquido; esse gás/vapor ocupa um espaço que depende da posição do êmbolo.

Passo 4

Efeito do pequeno deslocamento do êmbolo — usar PV=nRT qualitativamente:
  • Se a seringa está tampada, para um intervalo curto de tempo a massa de vapor no espaço gasoso pode ser considerada aproximadamente constante. Para esse vapor, a equação dos gases ideais dá, em forma qualitativa,
P V \propto n T.
Se a temperatura T do vapor não muda instantaneamente, aumentar o volume V (puxar o êmbolo para trás um pouco) faz o valor da pressão P cair.
  • Assim, um pequeno deslocamento que aumenta o volume disponível para o vapor provoca uma queda da pressão interna P_{\text{int}}.
  • Se, à temperatura atual do líquido (que está quente, possivelmente perto de 100^\circ\mathrm{C}), a pressão interna cair para um valor menor que a pressão de vapor \,p_{\text{sat}}(T)\,, então o líquido passa a ter tendência a vaporizar rapidamente — isto é, volta a formar bolhas e ferver — até que se restabeleça um novo equilíbrio.
  • Em palavras simples: o aumento do volume faz cair a pressão interna; com pressão menor, o ponto de ebulição cai; como a água já está quente, ela volta a ferver.

Passo 5

Por que as outras alternativas são incorretas (resumo rápido e intuitivo):
  • a) “permite a entrada de calor do ambiente externo”: um pequeno deslocamento do êmbolo não é, por si só, uma fonte significativa de calor que justifique a retomada da ebulição; o efeito observado ocorre instantaneamente por mudança de pressão, não por aquecimento extra.
  • b) “provoca, por atrito, um aquecimento da água”: o atrito do êmbolo é desprezível e não forneceria energia suficiente para reaquecer a água até fazê-la ferver novamente.
  • c) “produz um aumento de volume que aumenta o ponto de ebulição”: isso é justamente o oposto do que acontece. Aumentar o volume do espaço do vapor reduz a pressão e, portanto, diminui (não aumenta) o ponto de ebulição.
  • d) “proporciona uma queda de pressão no interior da seringa que diminui o ponto de ebulição da água”: é a explicação correta e consistente com os conceitos físicos acima.

Resposta

d) proporciona uma queda de pressão no interior da seringa que diminui o ponto de ebulição da água.

Exercícios relacionados