TERMODINÂMICA I: POR TODOS OS LADOS

Antes de entendermos como a Termodinâmica afeta os processos industriais e como seu entendimento é fundamental no design de processos, vamos ver alguns fenômenos básicos do dia-a-dia em que a Termodinâmica está presente e, muitas vezes, passa despercebida.

Que a Termodinâmica está em todo lugar, isso todo Engenheiro Químico já sabe, mesmo aqueles que sofrem com a matéria na faculdade. Termodinâmica é um assunto muito vasto e denso, mas vale a pena entender alguns de seus conceitos principais, pois eles são a base de muitos processos químicos do dia-a-dia e o conhecimento das propriedades termodinâmicas de compostos é essencial para o design e a otimização da operação de processos industriais.

Mas antes de falarmos da aplicação da Termodinâmica em processos industriais, vamos ver alguns exemplos de como a Termodinâmica é responsável por alguns dos fenômenos simples que observamos ou experienciamos no nosso dia-a-dia, sem que muitas vezes nos demos conta disso.

Por exemplo, você já parou para pensar porque sente frio ao sair molhado do banho? É o seu corpo perdendo calor para vaporizar as moléculas de água presentes. E quem é responsável por isso? Ela mesma, a Termodinâmica. Afinal, é ela que rege as interações entre as moléculas de diferentes compostos.

Outro exemplo interessante é o uso da panela de pressão. Será que você já se perguntou porque os alimentos cozinham mais rápido na panela de pressão? Como a temperatura de ebulição da água em pressão atmosférica é de 1 atm, quando cozinhamos um alimento em água, a temperatura da água e, consequentemente, de cocção dos alimentos fica limitada a 100oC. Mas pelos princípios de Termodinâmica, observando-se a variação da temperatura de ebulição com a pressão, vemos que a temperatura de ebulição da água aumenta com a pressão. Logo, ao utilizarmos uma panela de pressão, estamos elevando a temperatura de ebulição da água naquelas condições. Assim, ao invés de 100oC, a água poderá atingir temperaturas mais altas (~130oC). Portanto, agora os alimentos não ficam mais limitados a 100oC mas sim a 130oC e, portanto, cozinham mais rapidamente. Curiosamente, alimentos demorarão mais para cozinhar quanto maior a altitude em relação ao nível do mar. Isso porque quanto maior a altitude, menor a pressão atmosférica e, consequentemente, menor a temperatura de ebulição da água, sendo menor a temperatura a que os alimentos ficam limitados durante a cocção.

Um paralelo pode ser feito em relação à pressão para explicar porque é possível patinar no gelo. Se observarmos o diagrama de fases da água, perceberemos que ao aumentar a pressão, água no estado sólido (gelo) pode fundir e tornar-se água no estado líquido. O princípio da patinação no gelo é que as lâminas do patins exercem pressão sobre o gelo e derretem-no localmente. Quantos anos você tinha quando descobriu que na verdade nunca patinou no gelo de verdade, e sim sobre uma fina película de água?

Figura 1. Diagrama de fases da água

O diagrama de fases da água também é diferente do diagrama de fases da maior parte das substâncias, o que explica porque, ao solidificar-se a água aumenta de volume ao invés de diminuir, contrariando o status quo observado pelas outras substâncias. Além disso, outros fenômenos interessantes podem ser observados na água, como insetos que são capazes de andar sobre ela. Resumindo, ela gosta de ser “diferentona”. Mas o que causa esse comportamento diferente? Basicamente, tudo é explicado pela polaridade.

Dentro de uma molécula de água, a ligação entre o átomo de oxigênio e os átomos de hidrogênio é uma ligação covalente polar. Ligação covalente significa que os elétrons são compartilhados entre ambos os átomos e polar indica que os átomos não são compartilhados igualmente. O oxigênio “puxa” mais os elétrons do que o hidrogênio, o que faz com que o átomo de oxigênio haja negativamente e os átomos de hidrogênio positivamente. Ao interagir com outras moléculas de água, o oxigênio atrairá hidrogênios de moléculas vizinhas e formam-se interações características de moléculas bastante polares, as ligações de hidrogênio, que são ligações bastante fortes. Essas ligações não se formam apenas entre as moléculas de água, mas também entre moléculas de água e alguns outros compostos igualmente polares ou iônicos. A propriedade da água que determina a habilidade de suas moléculas ligarem entre si é chamada de coesão enquanto a adesão diz respeito à habilidade da água de ligar-se a moléculas de outras substâncias.

Figura 2. Forças de interação entre os átomos de uma molécula de água e de moléculas de água entre si e com moléculas de outros compostos polares ou iônicos.

Essas ligações de hidrogênio entre as moléculas de água explicam o fenômeno de alguns insetos andarem sobre a água. Enquanto as moléculas do interior da água são atraídas igualmente pelas moléculas acima e abaixo, as moléculas da superfície são atraídas apelas por aquelas que estão abaixo e pelas que estão ao lado, o que faz com que a força resultante seja para baixo, formando uma película que funciona como uma membrana que é forte o suficiente para permitir que insetos consigam andar sobre ela. Obviamente, ela não é forte o suficiente para que humanos consigam andar sobre ela.

E por que a água na forma sólida tem maior volume do que a água na forma líquida? Enquanto para a maior parte das substâncias a forma sólida é mais densa do que a forma líquida, no caso da água, as moléculas de hidrogênio mantêm as moléculas de água mais distantes entre si quando a água está em sua forma sólida do que em sua forma líquida. Por isso o gelo é menos denso do que a água líquida. Isso explica porque o gelo flutua no seu copo de água. Isso também explica porque lagos congelam a partir da superfície. Quando a água começa a solidificar, o gelo formado, por ser menos denso, fica na superfície, funcionando como uma camada isolante que impede que o fundo do lago congele. Isso é o que permite que os seres aquáticos sobrevivam mesmo quando o lago congela. E não é que na natureza tudo se harmoniza? Graças à Termodinâmica!

Agora que já vimos como a Termodinâmica está presente em fenômenos simples do dia-a-dia, no próximo texto veremos como ela afeta os processos industriais e como utilizá-la no design de equipamentos e estabelecer as etapas de um processo.

O presente texto pertence ao autor e não deve ser reproduzido sem autorização da BetaEQ e do mesmo.

Autoria de: Clarissa Alves Biscainho

Engenheira Química de Empresa Multinacional – Alemanha

Fontes: IFP School TERG Project – Part 1 – Thermodynamics is everywhere, Ted Ed – How polarity makes water behave strangely.