TÍTULO: UM ESTUDO TERMODINÂMICO DO CASO CHAMADO “EFEITO MPEMBA”: ANÁLISE TEÓRICA E EXPERIMENTAL VIABILIZADO PELA ÁGUA.
TÍTULO:
CATEGORIA: CONCLUÍDO CATEGORIA:
ÁREA: CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA ÁREA:
SUBÁREA: FÍSICA SUBÁREA:
INSTITUIÇÃO: CENTRO UNIVERSITÁRIO HERMINIO OMETTO INSTITUIÇÃO:
AUTOR(ES): TAYNAN RIBEIRO DE SOUZA AUTOR(ES):
ORIENTADOR(ES): JOSÉ ERINALDO FONSECA ORIENTADOR(ES):
COLABORADOR(ES): RAFAEL TRAMONTELLI COLABORADOR(ES):
1. Resumo
A água é uma das substâncias mais estudadas e que apresenta em especial suas particularidades, como por exemplo, o ponto triplo. E foi exatamente realizando experimentos com esse fluido que um estudante de ensino médio, chamado Erasto Mpemba, observou um fenômeno intitulado “Efeito Mpemba”. O efeito ocorre quando dois “corpos” de água, idênticos em todos os aspectos, exceto que um está a uma temperatura mais elevada do que o outro, quando expostos a uma temperatura abaixo de zero, se observa que a água mais quente congela primeiro, dados as mesmas condições. O presente estudo tem como finalidade analisar o efeito Mpemba levando em consideração parâmetros e imprecisões que podem influenciar no efeito. O estudo foi desenvolvido com o objetivo de analisar alguns fatores, observando o experimento de diferentes formas, como por exemplo, a área superficial de contato do fluido com o béquer, a temperatura do fluído e a quantidade de sólidos no fluido. Para tal foi utilizado um béquer de 50 e 400 ml, um volume de fluido 50 e 200 ml de água, alterando entre temperatura ambiente, 45 e 70º C e utilizando água potável e destilada. Ao fim dos experimentos pode-se observar que o Efeito Mpemba ocorre especificamente para uma combinação de variáveis que leva em consideração principalmente a área de contato superficial do fluido com o béquer.
2. Introdução
O Efeito Mpemba se tornou mais difundido pela comunidade científica exatamente no século XX, quando um estudante de ensino médio chamado Erasto Mpemba observou tal fenômeno [1]. Sabe-se que o efeito é algo intrigante e muitos pesquisadores dizem desafiar as leis da termodinâmica. O efeito, segundo alguns cientistas [2, 3], ocorre quando dois corpos de água, idênticos em todos os aspectos, exceto que um está a uma temperatura mais elevada do que o outro, estão expostos a uma temperatura abaixo de zero, e se observa que a água mais quente congela primeiro, dados as mesmas condições. Muitos leitores/cientistas argumentam com veemência que o efeito é proibido pelas leis da termodinâmica. Quer ou não muitos experimentais dizem que o efeito é real. Uma análise cuidadosa destas tarefas trará uma riqueza de importantes questões sobre o método científico, que pode ser entendido e discutido por estudantes sem qualquer conhecimento de física avançada.
A observação do fenômeno pode depender de diversos fatores, como por exemplo: da convecção, da superfície isoladora, da evaporação, da má condução e dos gases dissolvidos. Sabe-se que a água quente arrefece mais rapidamente dada as correntes de convecção que se criam e que uniformizam o arrefecimento. A criação de uma camada de gelo na superfície da água, quando se congela água fria, prejudica as trocas de energia com o exterior, logo há um maior isolamento que pode atrasar a solidificação da água fria relativamente à quente [4, 5, 6]. A evaporação reduz ligeiramente a quantidade de água quente a congelar e provoca uma diminuição na temperatura da mesma devido à perda de calor. Em maus condutores térmicos, a refrigeração será na maior parte devida à evaporação em vez da condução. A presença de gases dissolvidos baixa o ponto de solidificação e em água quente a presença de gases é menor, logo é mais fácil que congele [7, 8, 9, 10, 11].
O intuito do estudo é analisar e observar o efeito através do congelamento de massas de água em temperaturas diferentes, levando em consideração os parâmetros que podem influenciar nos resultados finais, como a temperatura inicial da amostra, a quantidade de sólidos, a forma e o volume da amostra. Dessa forma podemos obter resultados mais detalhados para uma análise mais primorosa do efeito.
3. Objetivos
Analisar o efeito Mpemba através do congelamento de diferentes massas de água em diferentes temperaturas, levando em consideração, a quantidade de sólidos, o volume da amostra e o contato direto do fluido com o recipiente.
4. Metodologia
Para realização experimental, foi necessário os seguintes materiais: Béquer de 50 e 400 ml; Pipeta volumétrica de 25 ml; Termômetro digital; Balança de precisão; Manta aquecedora; Cronômetro; Congelador; Suporte universal; e a massa de fluido (água potável e água destilada).
Os experimentos foram realizados com o béquer, variando os volumes de água entre 50 e 400 ml e as temperaturas entre ambiente, 45 e 70ºC. Foram seguidos os seguintes passos: 1) O volume de água desejado foi pipetado no béquer a ser realizado o experimento. 2) Foi anotada a temperatura inicial da amostra, do
ambiente e da quantidade de massa. 3) O congelador foi estabelecido a -20ºC e em seguida levou-se a amostra até o congelador, contabilizando um tempo de 15 segundos entre abrir e fechar a porta. 4) Foi iniciado o cronômetro ao fechar a porta e anotado a queda de temperatura a cada 2 minutos até a amostra atingir -5ºC. 5) Para as amostras aquecidas, deve se pesar a amostra antes e após o aquecimento para conhecimento da massa perdida e seguir o procedimento a partir do item 3. Pode se observar na figura 1 o arranjo do experimento.
Figura 1 – Arranjo do experimento.
Com os resultados obtidos foram elaborados gráficos de temperatura x tempo e elaborado tabelas para análise entre os experimentos.
5. Desenvolvimento
Para facilitar o desenvolvimento dos experimentos foi criado um fluxograma separado por volume de béquer, tanto para a água destilada quanto para a água potável como mostram as figuras 1 e 2.
Figura 1 – Fluxograma genérico para o béquer de 400 ml.
Figura 2 – Fluxograma genérico para o béquer de 50 ml.
Para cada análise foi desenvolvido um gráfico que foi gerado com a variação da temperatura em função do tempo, a cada 2 minutos, e uma tabela contendo todos os dados obtidos, o que facilitou a percepção do tempo da mudança da temperatura e o tempo da mudança de fase de cada uma das amostras trabalhadas.
Fluxograma de experimentos Béquer de 400 ml 50 ml de água Temperatura ambiente 45º C 70 º C 200 ml de água Temperatura ambiente 45º C 70 º C Fluxograma de experimentos Béquer de 50 ml 50 ml de água Temperatura ambiente 45º C 70 º C
6. Resultados
Com os resultados obtidos foi gerado o gráfico 1 e a tabela 1 para a água destilada. E de acordo com estes pode-se perceber que o efeito de fato ocorre para um arranjo específico do experimento a ser realizado. Em todos os arranjos experimentais realizados o único em que o efeito foi observado foi exatamente naquele em que utilizou-se 50 ml de água num béquer de 400 ml. O que pode ser observado nos dados abaixo.
Gráfico 1 – Gráfico para temperatura x tempo para água destilada.
-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195 210 225 240 255 270 285 300 315 Te mp e ra tur a (ºC) Tempo (min) Gráfico Temperatura x Tempo
Água destilada
Tabela 1 – Tabela de arrefecimento para água destilada.
Como podemos observar na tabela 1 com o auxilio do gráfico 1, no experimento 2.3 podemos observar a manifestação do efeito Mpemba. Note que o tempo de solidificação (análise de calor latente) está em torno de 10 minutos enquanto para os demais experimentos (2.1; 2.2), temos um total de 40 e 48 minutos respectivamente, para ocorrer a solidificação total. Isso caracteriza a evidencia do efeito Mpemba que pode ser explicada para esse caso específico devido a alta temperatura e a área de contato, ou seja, essas características podem ser determinantes para que o efeito ocorra. Num béquer com volume de 400 ml com 50 ml do fluido a área de contato entre o fluido e o recipiente é muito maior do que qualquer outro caso, o que influencia diretamente no efeito. Não observamos o efeito no caso 2.2 porque a temperatura não é elevada o suficiente para que o experimento ocorra. Portanto nesse caso a relação entre a alta temperatura e o grande contato do fluido com o recipiente evidenciam o efeito.
O experimento com a água potável tem resultados muito próximos da água destilada, como podemos observar no gráfico 2 e na tabela 2.
1.1 1.2 1.3 2.1 2.2 2.3 3.1 3.2 3.3 Tempo no processo de solidificação (minutos) Ambiente (22,9º C) 47,6º C 70,5º C 17,5º (30 min) 30,6º (30 min) 47,3º (30 min) Queda de temp. x tempo nos primeiros minutos Tempo para atingir 0º C (minutos) Temperatura Inicial 38 62 72 180 184 48 192 Ambiente (21,9º C) 22,4º (20 min) 14 40 1 2 46,5º (20 min) 56 65,5º C 60,7º (20 min) 24 10 3 72 36 68
Tabela para água destilada
Béquer de 50 ml e 50 ml de água 48º C 33,1º (20 min) 32 22 Béquer de 400 ml e 200 ml de água Béquer de 400 ml e 50 ml de água Ambiente (21,4ºC) 47,3 º C 44,8º (20 min) 21,4º (20 min) 20 Caso 66,8º C
Gráfico 2 – Gráfico para temperatura x tempo para água potável.
Tabela 2 – Tabela de arrefecimento para água potável.
Chamando a atenção para o mesmo caso, onde observou-se o efeito na água destilada, o tempo de solidificação ocorre mais rápido, não tão evidente quanto da água destilada, mas nos leva a perceber que os parâmetros alta temperatura e maior área de contato entre fluido e recipiente influenciam diretamente no efeito.
-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195 210 225 240 255 270 285 300 315 Te mp e ra tur a (ºC) Tempo (min) Gráfico Temperatura x Tempo
Água potável
Béquer de 400 com 200 ml de água Béquer de 400 ml com 50 ml de água Béquer de 50 ml com 50 ml de água
1.1 1.2 1.3 2.1 2.2 2.3 3.1 3.2 3.3
Tabela para água potável
44,5º C 31,8º C (20 min) 32 64 Béquer de 50 ml e 50 ml de água Ambiente (23,5º C) 21,7º C (20 min) 24 68 70º C 50,7º C (20 min) 36 62 3 Béquer de 400 ml e 50 ml de água Ambiente (20,1º C) 19º (10 min) 12 48 44,3º C 32,6º (10 min) 20 48 65º C 48,4º C (10 min) 22 34 2 Temperatura Inicial Queda de temp. x tempo nos primeiros minutos Tempo para atingir 0º C (minutos) Tempo no processo de solidificação (minutos) Caso Béquer de 400 ml e 200 ml de água Ambiente (18,7º C) 18,2º (30 min) 32 150 41,1º C 28,6º (30 min) 52 156 70,5º C 47,3º (30 min) 82 182 1
7. Considerações finais
O efeito depende de uma combinação de fatores para que ocorra. De acordo com os experimentos realizados observou se que conforme aumentamos a temperatura do fluido, mais rápida é a queda de temperatura no mesmo intervalo de tempo. Combinando esse fator com uma maior área de contato entre o fluido e o recipiente conseguiu-se observar o efeito.
8. Fontes consultadas
[1] MPEMBA, E. B.; Osbourne, D. G. Cool?. Phys. Educ. 4, 172-175 (1969).
[2] MONWHEA, J. Hot water can freeze faster than cold?!?. arXiv: physics/0512262v1 [physics.hist - ph] 29 Dec 2005.
[3] KATZ, J. I. When hot water freezes before cold. arXiv: physics/0604224v1 [physics.chem - ph] 27 Apr 2006.
[4] WALKER, J. Hot water freezes faster than cold water. Why does it do so,?. Sci. Am. 237(3), 246-257 (1977).
[5] BELKORA, L. Water in biological and chemical processes: from structure and dynamics to function. Cambridge University Press, 2013. 374 p. ISBN 978-110-703-7298.
[6] LE BIHAN, D. Water: the forgotten biological molecule. Singapura: Pan Stanford Publishing, 2011. 399 p. ISBN 978-981-4267-52-6
[7] FREEMAN, M. Cooler still – An answer?, Phys. Educ. 14, 417-421 (1979).
[8] WOJCIECHOWSKI, B.; OWCZAREK, I. and BEDANARZ, G. Freezing of aqueous solutions containing gases. Cryst. Res. Technol. 23(7), 843-848 (1988).
[9] FIRTH, I. Cooler?, Phys. Educ. 6, 32-41 (1971).
[10] AUERBACH, D. Supercooling and Mpemba effect: When hot water freezes quicker than cold. Am. J. Phys. 63(10), 882-885 (1995).
[12] KEVIN, S.; GRAHAM, G.; COLETTE, W.; Havard Westlake Journal of Science Issue 5, p. 15, 2011.
