- Explique o experimento realizado em sala de aula envolvendo a garrafinha PET. Faça uso dos conceitos e modelos da disciplina para explicar porque o fenômeno ocorre.
Passo 1
O que o enunciado pede: explicar o experimento realizado em sala envolvendo uma garrafinha PET e usar os conceitos e modelos da disciplina para justificar por que o fenômeno observado ocorre.
Informações relevantes (assumindo o experimento típico feito em sala):
- Montagem: uma vela acesa está sobre um prato com uma pequena quantidade de água; uma garrafinha PET vazia e cortada ou uma garrafa de vidro é invertida e colocada cobrindo a vela e parte do prato, de modo que a chama fique dentro do volume confinado pela garrafa.
- Observações que tipicamente se fazem: a vela apaga depois de um tempo curto e, após a chama apagar, o nível de água no prato sobe e penetra dentro da garrafa (ou o nível dentro da garrafa sobe), indicando que a pressão dentro da garrafa ficou menor que a pressão atmosférica externa.
- O pedido é explicar, passo a passo, por que a vela apaga e por que a água sobe, usando modelos (leis dos gases, equilíbrio de fases, pressão hidrostática, reações químicas) e sem pular etapas.
Passo 2
Descrever qualitativamente a sequência de acontecimentos observada (sem ainda aplicar fórmulas):
- A vela queima consumindo oxigénio (
) do ar e liberando dióxido de carbono ( ) e calor. - Dentro da garrafa o oxigénio disponível diminui localmente à medida que a vela consome combustível. Em algum momento a mistura de gases e a temperatura deixam de sustentar a chama e a vela apaga.
- Depois que a chama apaga, parte do
formado se dissolve na água do prato; além disso, a coluna de gases no interior arrefece até a temperatura ambiente. - O resultado é uma redução da pressão parcial total do gás dentro da garrafa; a pressão externa (atmosférica) fica então maior que a pressão interna e empurra a água para dentro da garrafa até equilibrar as pressões.
Passo 3
Apresentar o modelo básico que relaciona pressão, volume, temperatura e quantidade de gás: a lei dos gases ideais.
Explicação das variáveis (com linguagem simples):
-
é a pressão do gás (em Pa). -
é o volume do espaço ocupado pelo gás (em ). No experimento esse volume é aproximadamente o interior da garrafa. -
é o número de mols de gás presentes naquele volume. Um “mol” é uma medida da quantidade de moléculas. -
é a constante dos gases ideais ( ). -
é a temperatura absoluta do gás (em K).
Interpretação prática: se
e
são (aproximadamente) constantes, então a pressão
é proporcional ao número de mols
. Se o número de mols dentro da garrafa diminui, a pressão dentro cai.
Passo 4
Usar o modelo para comparar estado inicial e estado final (após a chama apagar e o sistema arrefecer). Denotando estado inicial por subíndice
e final por subíndice
:
Se, depois que a chama apaga, o gás volta à temperatura ambiente (
) e o volume confinado pela garrafa não muda significativamente, dividindo as duas equações obtém-se
Ou seja: a razão entre pressões é a razão entre o número de mols. Portanto, uma redução no número de mols de gás dentro da garrafa provoca uma redução proporcional da pressão interna.
Passo 5
Explicar por que o número de mols
dentro da garrafa diminui quando a vela queima e depois apaga — aqui entram química e equilíbrio líquido-gás.
Combustão (modelo químico simples): a vela é basicamente um hidrocarboneto (cera ≈ parafina, fórmula aproximada
). A combustão completa pode ser escrita genericamente como
Do ponto de vista gasoso: cada mol de
consumido tende a produzir um mol de
(na proporção dependente de
). Se todo o
permanecesse no ar, a mudança líquida em número de mols no interior seria pequena (consumo de
compensado por produção de
). Porém há dois efeitos que reduzem efetivamente o número de mols gasosos dentro da garrafa:
- A chama não consome todo o
do volume; ela diminui a fração de e a chama apaga quando a mistura e temperatura não suportam mais a combustão. Ainda assim houve perda de em relação ao estado inicial. - Parte significativa do
produzido dissolve-se na água do prato e forma e espécies como ácido carbônico ( ). Esse processo remove moles da fase gasosa para a fase líquida. A dissolução segue um comportamento do tipo Lei de Henry: a quantidade dissolvida aumenta com a pressão parcial do , mas enquanto a chama está ativa existe transferência de para a água e, após a chama apagar, o equilíbrio favorece que parte do fique dissolvido. Logo, é plausível.
Portanto a soma dos efeitos (redução de
no ar confinad o + remoção parcial de
por dissolução) reduz o número total de mols de gás no interior da garrafa.
Passo 6
Ligando a queda do número de mols à subida da água: equilíbrio de pressões.
Enquanto a água sobe para dentro da garrafa, o equilíbrio mecânico vertical entre as pressões externa e interna é dado por
onde:
-
é a pressão atmosférica fora da garrafa, -
é a pressão do gás dentro da garrafa (após a combustão e o arrefecimento), -
é a densidade da água ( ), -
é a aceleração da gravidade ( ), -
é a altura (diferença de nível) que a coluna de água sobe dentro da garrafa em relação ao prato.
Isolando
:
Como vimos no Passo 4,
diminui quando
diminui. Logo, uma diferença de pressão
aparece e a água é empurrada para dentro até que a coluna de água gere uma pressão hidroestática
igual à diferença
. Esse é o motivo imediato pelo qual observamos o nível da água subir dentro da garrafa.
Passo 7
Valores típicos e escala do efeito (para intuição, sem necessidade de calculadora sofisticada). Suponha uma diferença de pressão modesta, por exemplo
. Então
Isto mostra que uma pequena diferença de pressão produz uma subida mensurável do nível de água. Se
fosse maior,
seria maior. Ou seja, não é preciso uma grande mudança de pressão para observar água entrando na garrafa.
Passo 8
Explicar por que a vela apaga antes de todo o oxigénio desaparecer (por que o processo não vai até
ser muito pequeno):
- A chama precisa de calor suficiente, combustível vaporizado e oxigénio numa fração adequada. Conforme o oxigénio local diminui, a reação não consegue sustentar a temperatura e as reações de combustão necessárias para manter a chama.
- Além disso, a produção de
e a alteração do fluxo de convecção do ar dentro do invólucro limitam a renovação de na região da chama. Portanto a chama apaga com muito ar ainda presente; a queda de pressão é causada mais pela combinação de consumo parcial de , dissolução do e arrefecimento do volume de gás que ficou.
Passo 9
Outros fatores que ajudam a entender detalhes do experimento (variações e como interpretá-las):
- Se a água for fria, ela dissolve mais
, aumentando a remoção de mols gasosos e aumentando a diferença de pressão resultante; por isso usando água gelada o efeito tende a ser mais pronunciado. - Se não houver água (prato seco), o
formado fica majoritariamente na fase gasosa e a queda de pressão é menor; então o efeito de sucção de líquido não aparece. - Se a garrafa for muito alta e o volume grande, a mesma fração relativa de perda de mols gera uma diferença de pressão similar, mas a coluna de água necessária para equilibrar pode produzir alturas diferentes; geometricamente o efeito visível pode mudar.
- O aquecimento local do ar pela chama pode temporariamente aumentar a pressão interna, mas quando o fogo apaga e o ar arrefece, essa pressão volta a cair — o arrefecimento contribui para reduzir
.
Passo 10
Resumo didático final (linguagem de prova: concisa e com os modelos usados):
- Modelo usado: lei dos gases ideais
, equação da combustão química e equilíbrio líquido-gás (dissolução de ), e pressão hidrostática . - Mecanismo: a vela consome parte do
do volume confinado e gera ; parte do se dissolve na água, de modo que o número de mols gasosos no interior fica menor. Com e aproximadamente constantes após o apagamento, isto reduz a pressão interna segundo . A pressão externa empurra então a água para dentro até que a coluna de água gere pressão suficiente para igualar a diferença.
Dica de como responder em prova: escreva claramente o balanço
, explique que
por consumo de
e dissolução de
, relate
a
e finalmente use
para mostrar por que a água sobe. Termine dizendo por que a chama apagar (falta local de
e perda de temperatura) — isso fecha a explicação física e química do fenômeno.
Resposta
A vela consome parte do
no volume confinado e produz
; parte do
dissolve-se na água, reduzindo o número total de mols gasosos
dentro da garrafa. Pela lei dos gases ideais
(com
e
aproximadamente constantes após o apagamento) a pressão interna
diminui. A pressão atmosférica externa então empurra a água para dentro da garrafa até que a pressão hidroestática
compense a diferença:
. Assim a combinação de consumo parcial de
, dissolução de
e arrefecimento explica por que a vela apaga e por que a água sobe para dentro da garrafa.