Calor específico, entalpia de vaporização e a densidade da água

Vamos imaginar que o dia está quente. Você ficou ao sol por um tempo, então está suando um pouco quando se senta e pega um copo de água gelada. Você passivamente observa as gotas de suor em seus braços, assim como os cubos de gelo na superfície do copo d'àgua. Graças a seu árduo trabalho estudando as propriedades da água, você reconhece que tanto as gotas de suor quanto os cubos em seu copo são exemplos da fantástica capacidade da água em formar ligações de hidrogênio.

Como isso funciona? As moléculas de água são muito boas em formar ligações de hidrogênio, interações fracas entre as extremidades parcialmente positivas e parcialmente negativas das moléculas. Ligações de hidrogênio explicam tanto a efetividade do resfriamento evaporativo (por que o suor alivia o calor) e a baixa densidade do gelo (por que o gelo flutua).

Aqui, examinaremos em maior detalhe a função das ligações de hidrogênio nas mudanças de temperatura, congelamento e vaporização da água.

A água possui características químicas únicas em todos os três estados—sólido, líquido e gás—graças a capacidade de suas moléculas de formar ligações de hidrogênio entre si. Na medida em que os seres vivos, de humanos a bactérias, têm alto teor de água, compreender as características químicas únicas da água em seus três estados torna-se fundamental para biologia.

Na água líquida, as ligações de hidrogênio se formam e são quebradas constantemente enquanto as moléculas de água deslizam umas nas outras. A quebra dessas ligações é causada pela energia do movimento (energia cinética) das moléculas de água em razão do calor contido no sistema.

Quando o calor aumenta (por exemplo, quando se ferve a água), o aumento da energia cinética da moléculas de água faz com que as ligações de hidrogênio se quebrem completamente, permitindo que as moléculas de água escapem para o ar na forma de gás. Observamos esse gás como vapor d'água.

Por outro lado, quando a temperatura cai e a água congela, as moléculas de água formam uma estrutura cristalina que é mantida por ligações de hidrogênio (já que resta pouca energia térmica para quebrar as ligações de hidrogênio). Essa estrutura torna o gelo menos denso do que a água líquida.

A densidade menor da água na forma sólida é devido à maneira como as ligações de hidrogênio são orientadas ao se congelar. Especificamente , no gelo, as moléculas de água se separam mais umas das outras do que na água líquida.

Isso significa que a água se expande quando congela. Você pode ter visto isso por si mesmo se já colocou no freezer um recipiente de vidro selado contendo um alimento com alto teor de água (sopa, refrigerante, etc), somente para vê-lo rachar ou explodir quando a água líquida no interior se congela e expande.

Com a maioria dos outros líquidos, a solidificação—que ocorre quando a temperatura cai e a energia cinética (movimento) das moléculas é reduzida—permite que as moléculas se compactem mais firmemente do que na forma líquida, o que confere ao sólido uma densidade maior do que a do líquido. A água é uma anomalia (isso é, uma esquisitice fora do comum) em sua densidade mais baixa na forma sólida.

Por ser menos denso, o gelo flutua na superfície da água líquida, como podemos ver em um iceberg ou nos cubos de gelo em um copo de chá gelado. Nos lagos e lagoas, uma camada de gelo se forma na superfície da água líquida, criando uma barreira isolante que impede que as plantas e animais do lago congelem.

Por que é prejudicial para os seres vivos congelar? Podemos compreender isso relembrando o caso da garrafa de refrigerante que racha no freezer. Quando uma célula congela, seu conteúdo aquoso expande e sua membrana (tal como a garrafa de refrigerante) se quebra em pedaços.

É necessário muito calor para elevar a temperatura da água líquida porque parte do calor é usada para quebrar as ligações de hidrogênio entre as moléculas. Em outras palavras, a água tem uma alta capacidade térmica específica, que é definida como a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de um grama de uma substância em um grau Celsius. A quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de 1 g de água em 1 ° C tem um nome próprio, a caloria.

Em razão de sua alta capacidade térmica, a água pode minimizar mudanças na temperatura. Por exemplo, a capacidade térmica específica da água é aproximadamente cinco vezes maior do que a da areia. A terra esfria mais rapidamente do que o mar quando o sol se põe e durante a noite o resfriamento lento permite que a água libere calor para a terra nas proximidades. A água também é usada por animais de sangue quente para distribuir calor pelo corpo: funciona de forma similar ao sistema de resfriamento de carros, transportando calor das áreas quentes para as mais frescas, o que ajuda o corpo a manter uma temperatura uniforme.

Assim como se precisa de muito calor para elevar a temperatura da água líquida, também precisa-se de uma grande quantidade de calor para vaporizar uma determinada quantidade de água, porque as ligações de hidrogênio devem ser quebradas para que as moléculas se separem e passem para o estado de gás. Isto é, a água tem uma alta entalpia de vaporização, que é a quantidade de energia necessária para alterar um grama de uma substância no estado líquido para gasoso a uma temperatura constante.

A entalpia de vaporização da água é de cerca de 540 cal/g a 100 °C, o ponto de ebulição da água. Observe que algumas moléculas de água - aquelas que apresentam alta energia cinética - escaparão da superfície da água até mesmo em temperaturas mais baixas.

Conforme as moléculas de água se evaporam, a superfície de evaporação torna-se mais fria e o processo chama-se resfriamento evaporativo. Isto acontece porque as moléculas com energia cinética mais alta são perdidas por evaporação (para mais informações, veja o vídeo sobre resfriamento evaporativo ). Nos seres humanos e outros organismos a evaporação do suor, que é 90% água, resfria o corpo para manter a temperatura constante.