Termodinâmica I · Episódio 5

O lago que congela por cima

A dilatação anômala da água

Professor Canário · Termodinâmica I · Episódio 51 / 17

O caso

Lago em corte no inverno: tampa de gelo, camadas de 0 a 4 °C e peixe no fundo

lago no inverno: gelo só na superfície
logo abaixo do gelo: 0 °C · no fundo: 4 °C
densidade máxima da água: 3,98 °C ·
gelo: · cerca de 9% mais volume

Professor Canário · Termodinâmica I · Episódio 52 / 17

O caso

lago no inverno: gelo só na superfície
logo abaixo do gelo: 0 °C · no fundo: 4 °C
densidade máxima da água: 3,98 °C ·
gelo: · cerca de 9% mais volume

Professor Canário · Termodinâmica I · Episódio 52 / 17

O caso

lago no inverno: gelo só na superfície
logo abaixo do gelo: 0 °C · no fundo: 4 °C
densidade máxima da água: 3,98 °C ·
gelo: · cerca de 9% mais volume

Professor Canário · Termodinâmica I · Episódio 52 / 17

O caso

lago no inverno: gelo só na superfície
logo abaixo do gelo: 0 °C · no fundo: 4 °C
densidade máxima da água: 3,98 °C ·
gelo: · cerca de 9% mais volume

Professor Canário · Termodinâmica I · Episódio 52 / 17

Pergunta do episódio

Por que o lago fecha por cima e o peixe sobrevive embaixo?

Professor Canário · Termodinâmica I · Episódio 53 / 17

Conceito 1 — A regra e a exceção

Gasolina sobe 11 mL ao aquecer; a água de 0 a 4 °C baixa de nível

regra, com :

água entre 0 e 4 °C: · aquece e encolhe
acima de 4 °C: volta ao normal

Professor Canário · Termodinâmica I · Episódio 54 / 17

Exemplo resolvido — o quilo que encolhe

1 kg de água vai de 0 °C (1,00016 L) a 4 °C (1,00003 L); índice em °C

Fórmula:

Substituição:

Resultado:

−0,13 mL · aqueceu e diminuiu

Professor Canário · Termodinâmica I · Episódio 55 / 17

Exemplo resolvido — o quilo que encolhe

1 kg de água vai de 0 °C (1,00016 L) a 4 °C (1,00003 L); índice em °C

Fórmula:

Substituição:

Resultado:

−0,13 mL · aqueceu e diminuiu

Professor Canário · Termodinâmica I · Episódio 55 / 17

Exemplo resolvido — o quilo que encolhe

1 kg de água vai de 0 °C (1,00016 L) a 4 °C (1,00003 L); índice em °C

Fórmula:

Substituição:

Resultado:

−0,13 mL · aqueceu e diminuiu

Professor Canário · Termodinâmica I · Episódio 55 / 17

Conceito 2 — Densidade máxima

Curva do volume com fundo em 4 °C e curva da densidade com pico em 4 °C

massa fixa: volume mínimo ⟺ densidade máxima
extremo das duas curvas: 4 °C (não 0 °C)

Professor Canário · Termodinâmica I · Episódio 56 / 17

Exemplo resolvido — de 4 °C para 0 °C

1 kg de água esfria de 4 °C para 0 °C, ainda líquida; índice em °C

Fórmula:

Substituição:

Resultado:

massa em kg, densidade em kg/L · esfriou e cresceu

Professor Canário · Termodinâmica I · Episódio 57 / 17

Exemplo resolvido — de 4 °C para 0 °C

1 kg de água esfria de 4 °C para 0 °C, ainda líquida; índice em °C

Fórmula:

Substituição:

Resultado:

massa em kg, densidade em kg/L · esfriou e cresceu

Professor Canário · Termodinâmica I · Episódio 57 / 17

Exemplo resolvido — de 4 °C para 0 °C

1 kg de água esfria de 4 °C para 0 °C, ainda líquida; índice em °C

Fórmula:

Substituição:

Resultado:

massa em kg, densidade em kg/L · esfriou e cresceu

Professor Canário · Termodinâmica I · Episódio 57 / 17

Conceito 3 — O lago em camadas

Lago no outono, todo a 4 °C e misturando; no inverno, camadas frias por cima

outono: superfície cede calor ao ar, afunda, mistura tudo até 4 °C
abaixo de 4 °C: água fria fica em cima · mistura para
gelo isola · fundo segue a 4 °C

Professor Canário · Termodinâmica I · Episódio 58 / 17

Conceito 3 — O lago em camadas

outono: superfície cede calor ao ar, afunda, mistura tudo até 4 °C
abaixo de 4 °C: água fria fica em cima · mistura para
gelo isola · fundo segue a 4 °C

Professor Canário · Termodinâmica I · Episódio 58 / 17

Conceito 3 — O lago em camadas

outono: superfície cede calor ao ar, afunda, mistura tudo até 4 °C
abaixo de 4 °C: água fria fica em cima · mistura para
gelo isola · fundo segue a 4 °C

Professor Canário · Termodinâmica I · Episódio 58 / 17

Exemplo resolvido — quem vai para o fundo

Água a 4 °C () contra água a 0 °C ()

Fórmula:

Substituição:

Resultado:

a de 4 °C desce

Professor Canário · Termodinâmica I · Episódio 59 / 17

Exemplo resolvido — quem vai para o fundo

Água a 4 °C () contra água a 0 °C ()

Fórmula:

Substituição:

Resultado:

a de 4 °C desce

Professor Canário · Termodinâmica I · Episódio 59 / 17

Exemplo resolvido — quem vai para o fundo

Água a 4 °C () contra água a 0 °C ()

Fórmula:

Substituição:

Resultado:

a de 4 °C desce

Professor Canário · Termodinâmica I · Episódio 59 / 17

Conceito 4 — Gelo: 9% maior

Cubo de 1 kg de água com 1,000 L ao lado do cubo de gelo com 1,091 L

mesma massa, mais volume · menos densidade
gelo menos denso que a água → flutua
espaço fechado: cano, garrafa, rocha racham

Professor Canário · Termodinâmica I · Episódio 510 / 17

Conceito 4 — Gelo: 9% maior

mesma massa, mais volume · menos densidade
gelo menos denso que a água → flutua
espaço fechado: cano, garrafa, rocha racham

Professor Canário · Termodinâmica I · Episódio 510 / 17

Conceito 4 — Gelo: 9% maior

mesma massa, mais volume · menos densidade
gelo menos denso que a água → flutua
espaço fechado: cano, garrafa, rocha racham

Professor Canário · Termodinâmica I · Episódio 510 / 17

Exemplo resolvido — garrafa no freezer

500 mL de água viram 545 mL de gelo saindo pela boca

Garrafa de 500 mL cheia de água até a boca congela

Fórmula:

Substituição:

Resultado:

sobram 45 mL

Professor Canário · Termodinâmica I · Episódio 511 / 17

Exemplo resolvido — garrafa no freezer

Garrafa de 500 mL cheia de água até a boca congela

Fórmula:

Substituição:

Resultado:

sobram 45 mL

Professor Canário · Termodinâmica I · Episódio 511 / 17

Exemplo resolvido — garrafa no freezer

Garrafa de 500 mL cheia de água até a boca congela

Fórmula:

Substituição:

Resultado:

sobram 45 mL

Professor Canário · Termodinâmica I · Episódio 511 / 17

Conceito 5 — A ponta do iceberg

Iceberg cortado pela linha d'água: 8,3% acima, 91,7% abaixo

flutua: massa deslocada igual à do bloco
fração submersa:

gelo na água: só 8,3% à vista

Professor Canário · Termodinâmica I · Episódio 512 / 17

Exemplo resolvido — quanto afunda

Bloco de gelo flutuando em água a cerca de 4 °C

Fórmula:

Substituição:

Resultado:

8,3% fora

Professor Canário · Termodinâmica I · Episódio 513 / 17

Exemplo resolvido — quanto afunda

Bloco de gelo flutuando em água a cerca de 4 °C

Fórmula:

Substituição:

Resultado:

8,3% fora

Professor Canário · Termodinâmica I · Episódio 513 / 17

Exemplo resolvido — quanto afunda

Bloco de gelo flutuando em água a cerca de 4 °C

Fórmula:

Substituição:

Resultado:

8,3% fora

Professor Canário · Termodinâmica I · Episódio 513 / 17

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