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Gêiser
(Uma fonte cíclica de água quente)

Prof. Luiz Ferraz Netto
leobarretos@uol.com.br


Introdução
Gêiseres naturais, fontes cíclicas de água quente, ocorrem quando câmaras subterrâneas cheias de água são geotermicamente aquecidas. Quando a água atinge o seu ponto de ebulição, o gêiser entra em erupção e lança para fora seu conteúdo e se acalma ... o ciclo reinicia.

O modelo didático que apresentamos é o recomendado para montagens em Laboratórios e Feiras de Ciências, dada a sua simplicidade construtiva. Ele permite ilustrar além do peculiar funcionamento periódico de jorrar água quente para cima, conceitos relativos ao calor, tais como: ebulição forçada, pressão dos gases, conversão de calor em trabalho, conversão de energia etc.

Material
Indicaremos material para 2 tipos de montagem, a escolher:

1) ... comum em laboratórios: base de ferro, anéis com garras, tela de amianto, frasco de Erlenmeyer, tubo de vidro (>1 m), bacia plástica, aquecedor elétrico ou bico de Bunsen e cola.

2) ... para montagem específica: tubo de alumínio ou ferro (1 a 2 metros), bacia de alumínio, reservatório metálico, bico de Bunsen, suporte para a montagem e água.

Montagem da opção (1)

1) Abra um orifício no centro da base do recipiente plástico. O uso de uma broca com diâmetro igual ao do tubo de vidro é o mais recomendável.

2) Prepare o suporte metálico, comum em laboratórios, com duas argolas dotadas de presilhas de aperto. A distância entre elas, de modo a proporcionar um bom apoio, será ajustada posteriormente.

3) Insira uma das extremidades do tubo de vidro, que tem cerca de 1 metro de comprimento, no orifício da rolha de borracha. Use um pano para segurar o tubo nessa operação para prevenir eventual quebra e conseqüentes cortes na mão. Afunde o tubo até que a borda dessa extremidade fique rente com a base da rolha. Para facilitar essa operação, na qual o tubo deve entrar bem apertado, pode-se unta-lo com cola para altas temperaturas (uma pequena porção pode ser obtida gratuitamente em uma oficina para consertos de automóveis). Um pequeno porção de cola sobre a face superior da rolha poderá evitar vazamentos.

4) Encha o frasco de Erlenmeyer com água e feche-o com a rolha de borracha (já com o tubo de vidro). Aperte bem a rolha no gargalo de vidro pirex porém, faça isso com segurança e cuidados.

 

5) Insira a outra extremidade do tubo de vidro primeiro na argola superior do suporte e depois no orifício praticado no fundo da bacia plástica. Deixe que essa extremidade ultrapasse cerca de 2 cm para dentro da bacia mas, ainda bastante afastado da borda. Use de cola para vidro ou cola epóxi para vedar qualquer possível vazamento.

6) Apóie a bacia na argola superior e o Erlenmeyer na argola inferior (revestida com tela de amianto). Ajuste bem as argolas para uma boa distribuição do peso do conjunto.

7) Coloque água na bacia até cobrir a extremidade livre do tubo de vidro em cerca de 1 cm.

8) Coloque o aquecedor elétrico (ou o bico de Bunsen) sob o Erlenmeyer.

Procedimento
Ligue a fonte de calor ... e afaste-se do conjunto. Aguarde o aquecimento da água.

Após a primeira erupção do gêiser, ele se reajustará por si só, "chupando" água fresca da bacia para o interior da tubulação e Erlenmeyer. Várias erupções ocorrerão antes que a água da bacia fique bastante quente a ponto de paralisar o funcionamento. Quando isso ocorrer, basta desligar a fonte de calor e aguardar o resfriamento da água (ou, com muito cuidado, substituí-la por água fresca).

Observando e anotando
De uma distância segura, assista o que acontece quando a água esquenta e ferve.

Quantas fases distintas você pode reconhecer no ciclo de funcionamento desse gêiser?

Use um cronômetro e registre o intervalo de tempo entre erupções (período) além de qualquer outro ciclo que consiga observar.

Explicando
Há três fases principais para o ciclo desse gêiser: aquecimento da água, erupção e refluxo.

Aquecimento: o tempo de aquecimento no processo, para causar a erupção, depende de dois fatores básicos --- a quantidade de calor fornecida pela fonte térmica (aquecedor elétrico, bico de Bunsen etc.) e o comprimento do tubo de vidro.

A quantidade de calor fornecida pela fonte por unidade de tempo, ou seja, sua potência térmica é um fator de trivial reconhecimento. Quanto mais potente a fonte térmica menor será o tempo de aquecimento e conseqüentemente, menor o período de erupção.

O comprimento do tubo de vidro, mais especificamente, a altura da coluna de água, afeta a pressão no interior do Erlenmeyer, elevando-a acima da pressão atmosférica. Isso implica numa elevação no ponto de ebulição da água levando-a ao estado de sobre-ebulição (ebulição com pressão acima da pressão normal). Isso, evidentemente, requer maior quantidade de calor da fonte térmica e, como a potência térmica é suposta constante, resultará num maior tempo de aquecimento. Quanto mais longo o tubo, maior a pressão no frasco, mais elevada a temperatura de sobre-ebulição, maior será o tempo de aquecimento e maior será o período das erupções.

Erupção: cada centímetro cúbico de água, ao passar ao estado de vapor, tem seu volume aumentado para cerca de 1 500 centímetros cúbicos! Se isso não é permitido, a pressão sobe a ponto de elevar o líquido contido no tubo, levando-o para a bacia. Com isso, a pressão no frasco diminui, abaixa bruscamente o ponto de ebulição da água, ocorrendo uma vigorosa conversão de líquido para vapor e então, temos a erupção.

Refluxo: depois que a erupção reduz sua velocidade, uma pequena quantidade de água fresca da bacia fluirá tubo abaixo e ocasionará uma condensação parcial do vapor do tubo e frasco. Isto diminuirá a pressão no interior do aparelho (um "vácuo" parcial) permitindo que a pressão atmosférica faça entrar mais água fresca no frasco; nova condensação, nova queda de pressão, nova entrada de água fresca, é o refluxo. O refluxo dá-se com um som característico, algo parecido a um arroto.

E tudo recomeça ...

Além da ebulição e erupção podem ser observados tremores de vários tipos, como também o efeito de martelo-d'água (golpe de aríete) quando a água fica, momentaneamente, impedida de retornar ao tubo pela pressão de vapor existente.

Cuidados
O funcionamento do gêiser é bastante seguro. Devendo-se tomar as devidas precauções ao manusear a fonte térmica (aquecedor elétrico ou bico de Bunsen). Alguns respingos de água quente (não mais quente que a água de um chuveiro elétrico) poderão ser evitados, afastando-se do equipamento durante as erupções.

Montagens da opção (2)
Essas montagens, com equipamento menos frágil, são mais recomendada para Feiras de Ciências e locais de exposição e demonstração ao público. São simplesmente réplicas da montagem didática, em laboratórios, substituindo-se as partes mais frágeis (tubo de vidro, bacia de plástico, frasco de Erlenmeyer, suporte, cola) por outras mais resistentes (tubo de alumínio ou ferro, bacia de alumínio, reservatório metálico, suporte de ferro ou madeira, tipo estante, além de rosca, arruelas e porcas).

Eis duas versões:

A primeira, cujo suporte pode ser feito com ferro de construção de 3/8", tem um reservatório inferior também de ferro e soldado no tubo de ferro galvanizado de ½". A extremidade superior desse tubo apresenta rosca em uma extensão de 10cm e foi utilizada para fixar, mediante arruelas e porcas, a bandeja de alumínio.

A segunda é totalmente feita com folha de flandres (material usado, por exemplo, para calhas de residências). Trabalho de funileiro, com excelente rigidez e apresentação. Esse modelo de gêiser, com tubo de 2 metros de comprimento e sob ação da chama baixa de um bico de Bunsen, entra em erupção de 4 em 4 minutos, aproximadamente. A água no reservatório inferior entra em ebulição ao redor dos 107 graus célsius.

Fui informado, por e-mail, que um grupo de alunos de uma escola efetuou a montagem acima, substituindo o tubo de ferro ou alumínio por uma mangueira de alta pressão, com excelentes resultados. Ah! Informaram, ainda, que para o reservatório inferior foi utilizado o corpo de uma espiriteira (lamparina) metálica. Parabéns!

A Escola está de especial parabéns, pela ética aprimorada, citando a fonte do projeto e o nome do autor, como informou o consulente que assistiu à Feira de Ciências dessa escola.

 


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