Tira de borracha versus Calor

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

Apresentação
Quase todo o mundo já lidou com tiras de borracha, mas somente algumas pessoas dispensaram o devido tempo para observar as propriedades menos óbvias destes materiais cotidianos. Nesta atividade você examinará as propriedades térmicas da borracha, ou seja, o comportamento da borracha em relação ao calor. Prepare algumas tiras de borracha (balão, bexiga de borracha) e tenha-as à disposição.

Primeiro
No primeiro experimento você poderá detectar o fluxo de calor entrando ou saindo de uma tira de borracha. Para fazer isto, você precisa de um detector de calor bastante sensível. Afortunadamente, você tem tal detector a todo instante, em você mesmo. Seguramente, você já sentiu o calor de uma chama ou o 'gelado' de um cubo de gelo. Então, você sabe que sua pele é sensível ao fluxo de calor. Nesta experiência, você detectará um fluxo de calor usando uma região bastante sensível em sua pele, a de sua testa ou a de seus lábios.

a) Coloque seus dedos polegares de modo a segurar uma tira de borracha (balão) pelos seus extremos. Sem esticar a tira, segure-a junto à sua testa ou lábios. A tira lhe transmite uma sensação de frio, de morno ou não dá sensação alguma? Repita o procedimento várias vezes para se assegurar do resultado.  Sua resposta: ____________________.

b) Mova a tira de borracha mantendo-a ligeiramente afastada de sua face; assim não está mais tocando em sua pele. Rapidamente estique a tira, horizontalmente, até onde você pode e, segurando-a esticada, toque novamente em sua testa ou lábios. Sente-a mais morna ou mais fresca, em relação à situação anterior onde a tira estava relaxada?  Sua resposta: ____________________.

c) Mova a tira de borracha esticada um pouco para a sua frente. Mantenha-a assim esticada por cerca de 30 segundos. Rapidamente deixe-a relaxar ao seu tamanho original e novamente segure-a junto à sua pele. Sente que esquentou ou que esfriou? Sua resposta: ____________________.

d) Repita o procedimento na seqüência:  esticando e testando, 30 segundos, relaxando e testando várias vezes, até que você fique seguro dos resultados.
Sua respostas definitivas para: a) _______________,b) _______________,c) _______________.

Como sabemos, um objeto nos transmite a sensação de frescor ou de frio, quando ocorre fluxo de calor da pele para ele. Reciprocamente, um objeto nos dará a sensação de morno ou quente, quando ocorre fluxo de calor dele para a pele. Se a tira esticada nos dá a sensação de frio, então ela estará absorvendo calor da nossa pele (lábios). Se nos dá a sensação de morno é porque está transferindo calor à pele. Se os contatos borracha-pele não nos dão sensação quer de calor, quer de frio, será porque não há nenhum fluxo de calor detectável.

Há outras maneiras de se verificar se suas observações foram corretas. Um dos modo, é verificar o que acontece quando aquecemos ou esfriamos uma tira de borracha.

Segundo
Fixe um dos extremos de uma tira de borracha num suporte e pendure um 'peso' na outra extremidade. O que você usará como 'peso' não importa, use algum objeto disponível que seja pesado o bastante para esticar a tira de borracha, mas não a ponto de quebrá-la. Um metro de balcão ou uma trena disposta paralelamente à tira vem bem a calhar.

Aqueça a tira de borracha com um secador de cabelo. Comece com o secador na extremidade inferior e, quando chegar na outra extremidade, passe para a outra face da tira. Observe o nível do 'peso' na régua vertical antes e após o aquecimento.
A tira de borracha passa a exibir, agora, comprimento maior ou menor?
Sua resposta: ____________________. 

Essa observação concorda com aquela que você fez na primeira parte da experiência? Fazer experimentos de vários modos e conferir os resultados, para verificarem se estão de acordo, constitui uma importante estratégia da Ciência.
Quando a borracha é aquecida, ela apresenta um comportamento diferente daquele da maioria dos materiais comuns. Essa maioria expandem-se quando aquecida. Pense no material usado nos termômetros. O termômetro funciona porque esse material expande-se quando experimenta aumentos de temperatura e, dentro de certos limites, quando mais se esquenta, mais se expandem. Do mesmo modo, um fio metálico, como o de cobre, aumenta de comprimento quando a sua temperatura aumenta. Essa dilatação (expansão) dos metais frente ao aumento da temperatura é o princípio do funcionamento dos termômetros, dos termostatos bimetálicos etc.

Teorizando para o nível médio
A expansão ou contração de um material, quando aquecido, pode ser associada a uma propriedade do mesmo, denominada entropia. A entropia de um material é uma medida da organização das moléculas que o compõe. Quando as moléculas são organizadas de maneira ordenada, a entropia do material é baixa. Quando as moléculas apresentam um arranjo desordenado, a entropia é alta.
Um arranjo ordenado pode ser pensado, por exemplo, como algumas moedas empilhadas e envoltas por fita adesiva, enquanto uma desordenada pode ser pensada como moedas espalhadas  em uma bandeja.

Quando um material é aquecido, sua entropia aumenta porque a organização de suas moléculas diminui (moedas passam do empilhamento para a situação espalhada na bandeja). Isto ocorre porque, quando aquecido, suas moléculas vibram mais acentuadamente e com isso favorecendo uma maior desorganização. Em materiais compostos de moléculas pequenas, compactas, por exemplo, o de um termômetro, como as moléculas vibram mais intensamente, elas repelem suas moléculas vizinhas.
Entretanto, a borracha contém grande quantidade de moléculas encadeadas (é um elastômero de cadeia longa). Quando borracha é aquecida, as seções médias da cadeia de moléculas vibram mais vigorosamente. Como que essa parte mediana da cadeia de molécula se move mais vigorosamente quando aquecida (as extremidades da cadeia estão mais firmemente presas por ligações químicas às outras cadeias do que a região central), ela tem que puxar suas partes vizinhas para mais perto.

Para tentarmos visualizar isso façamos o seguinte: imagine vários pedaços de correntes de ferro, presos uns aos outros por laçadas de barbante e o conjunto esticado sobre uma mesa. Os pedaços de corrente simularão as cadeias de moléculas da borracha e as laçadas de barbantes as ligações químicas entre essas cadeias.

Agora, puxemos a região central dos pedaços de corrente para o lado (à direita ou esquerda da direção do conjunto, indiferentemente) e observe como ocorre uma aproximação entre os extremos livres do conjunto sobre a mesa. O conjunto formado por pedaços de correntes encolhe.

Algo semelhante ocorre com a tira de borracha. Por efeito do calor, as regiões centrais das cadeias individuais vibram mais intensamente, puxam as cadeias adjacentes e determinam o encolhimento da tira de borracha.

Teorizando para o nível fundamental
É completamente notável o que acontece com nosso balão de borracha. O balão se aquece quando você o estica e se resfria quando você o relaxa.

Inicialmente, na operação de esticar, você usou energia (proveniente de seus músculos) para tornar algo que estava inicialmente frio (ambiente) em algo quente. Isso não é muito novidade pois, um refrigerador caseiro também faz isso. Todavia, repare bem, que algo 'um tanto estranho' aconteceu. Esticamos a borracha e ela se aquece; até ai tudo bem, demos energia e essa converteu-se em calor --- mas, quando após algum tempo (aqueles 30 segundos das experimentações), a borracha ainda esticada está mais fria e se deixa relaxar rapidamente, a temperatura cai abaixo da temperatura ambiente (a inicial do balão); ai está o 'tal estranho' --- porque a temperatura baixou mais do que devia?
Um gráfico pode ilustrar isso:

O refrigerador também faz isso, e espero que tenha observado. MAS, refrigerador trabalho com gás e não com balões de borracha!
Todavia, o princípio é o mesmo: quando o 'motor' do refrigerador comprime o gás ele se aquece (com uma bomba de bicicleta você poderá confirmar isso rapidamente!); esse gás comprimido se resfria "fora do refrigerador" (através daquelas serpentinas atrás da geladeira); ai inverte tudo, o gás agora sofre (dentro do refrigerador) uma expansão brusca --- e esfria a uma temperatura mais baixa que a do ambiente.
No caso do balão isso também acontece; a energia que você forneceu o aquece; naqueles 30 segundos o calor é transferido para o ambiente e, quando a borracha é relaxada ela retira calor do ambiente. Esquente --- Esfria --- Esfria mais ainda; esquenta --- esfria --- esfria mais ainda ... e o ciclo prossegue.