(ENEM) Sob pressão normal (ao nível do mar), a água entra em ebulição à temperatura de
. 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.
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
. - 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
que depende só da temperatura . 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
. - Em particular, o ponto de ebulição a uma dada pressão externa
satisfaz . Assim, se a pressão externa diminui, o valor de necessário para que 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
. - 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
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,
Se a temperatura
do vapor não muda instantaneamente, aumentar o volume
(puxar o êmbolo para trás um pouco) faz o valor da pressão
cair.
- Assim, um pequeno deslocamento que aumenta o volume disponível para o vapor provoca uma queda da pressão interna
. - Se, à temperatura atual do líquido (que está quente, possivelmente perto de
), a pressão interna cair para um valor menor que a pressão de vapor , 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.