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Calefação
(um processo de
vaporização)
Prof. Luiz Ferraz Netto
leobarretos@uol.com.br
Introdução
Apresentemos um fenômeno de observação corriqueira. Se agitarmos os
dedos molhados com água sobre uma placa metálica aquecida próximo ao
rubro, veremos a divisão dessa água respingada em gotinhas mais ou menos
esféricas (estado esferoidal) a rolarem pela placa e que, só lentamente,
serão convertidas para vapor.
Se a placa é ligeiramente côncava, lembrando uma pequena 'antena parabólica',
a água não se divide; forma volumosa massa de bordas arredondadas e
agitadas, a qual desaparecerá lentamente, sem chegar a ferver.
Esse
modo particular de vaporização, em aparência contraditório com as leis
da ebulição, recebeu a denominação de calefação.
Ocorre, via de
regra, quando um líquido é posto em contato com um sólido muito mais
quente do que ele. Especificamente, quando a temperatura do sólido é
superior à temperatura de ebulição do líquido. Quando o sólido se
resfria, o estado de calefação cessa e o liquido vaporiza-se
instantaneamente em contato com a parede quente. A calefação foi
estudada por Boutigny, Tyndall, Faraday, Gossart e outros.
Experimentos
clássicos
A) Levar ao rubro uma cápsula de cobre ou de prata (ilustração a) e
deitar nela pequena quantidade de água. Esta se reduz a um glóbulo, às
vezes agitado de pulsações regulares.
B)
Pode-se, a exemplo de Tyndall (ilustração b), inverter o experimento,
colocando-se em água fria a cápsula previamente levada ao rubro; a água
pouco ou nada se vaporiza; mas quando a cápsula se resfriou bastante,
percebe-se o chiado ordinário e a nuvem de vapor que o acompanha, do
mesmo modo que ocorre com a imersão do ferro em brasa na água.
Leis
da calefação
I) O glóbulo calefeito (estado esferoidal) não toca a superfície
quente.
Podemos constatar isso mediante vários experimentos; vejamos:
a)
Se a placa estiver crivada de orifícios, o liquido calefeito não os
atravessa.
b) Na calefação do ácido nítrico sobre uma lâmina de prata aquecida
ao rubro, o metal não é atacado pelo ácido.
c) Com uma lâmina muito horizontal e água colorida, os raios de luz de
uma vela passam entre o glóbulo calefeito e a placa; é a experiência de
Boutigny (ilustração c).
d)
Se ligamos um dos pólos de uma pilha à cápsula e o outro ao glóbulo,
a corrente elétrica fica interrompida (ilustração d). Se resfriarmos a
cápsula, a gota achata-se, entra em contato com ela, fecha o circuito e
vaporiza-se muito depressa. (A água do glóbulo deve ser acidulada para
torna-la condutora).
II)
A temperatura do glóbulo calefeito é inferior à temperatura de ebulição
do liquido.
eis alguns experimentos:
e) Introduzindo-se num glóbulo de água em calefação o
reservatório de pequeno termômetro, ou melhor, um sensor termoelétrico,
vê-se que a temperatura permanece sempre abaixo de 100°C.
f) Introduzindo-se um pouco de bióxido de enxofre liquefeito num cadinho
levado ao rubro, o glóbulo mantém-se em calefação a uma temperatura
inferior a - 10°C (ponto de ebulição normal). Se despejarmos no cadinho
um pouco de água, esta se congela. Essa experiência foi proposta por
Boutigny.
Mecanismo
da calefação
Quando se derrama o liquido sobre a placa rubra, a temperatura das partes
superficiais das gotas, em frente da superfície metálica, é bastante
elevada para que se produza ativa vaporização. O vapor formado tem tensão
considerável, capaz de sustentar o líquido, à maneira de uma mola elástica.
O vapor interposto constitui uma camada ou colchão que impede o contato
com a placa (lei I). Por outra parte, estando o líquido separado do sólido
quente, a temperatura não poderia elevar-se senão por irradiação; ora,
como sabemos, os líquidos se deixam atravessar facilmente pelo calor
radiante, sem aquecer-se sensivelmente. Desse modo, o liquido calefeito
pode manter uma temperatura inferior à do seu ponto de ebulição normal
(lei II),
A irregular formação da camada de vapor que sustenta a gota pode,
eventualmente, formar pequenos jatos, que são os responsáveis pela
constante agitação da gota ou mesmo sua movimentação em placas planas.
Fenômenos
explicados pela calefação
a) Explosões em caldeiras de máquinas a vapor pode ocorrer, algum tempo
depois de extinta a fornalha. Este fato, de aparência paradoxal, encontra
explicação plausível no fenômeno de calefação. Com efeito, as águas,
muitas vezes calcárias, empregadas no abastecimento das
caldeiras, depositam, com o tempo, incrustações que impedem o contato da
água com as paredes metálicas. Como o depósito de sal é mau condutor térmico,
as partes subjacentes da caldeira podem ser levadas à temperaturas bem
superior à da ebulição da água. Se, nesse momento, se rompe a crosta
calcária (que, aliás, é muito frágil), a água, encontrando paredes
superaquecidas, toma o estado de calefação e o conserva enquanto se
ativa o fogo. Extinguindo-se este, a temperatura abaixa e as paredes se
resfriam lentamente. Em dado momento, cessa a calefação; a água toca
diretamente as paredes ainda bastante quentes para provocarem a vaporização
repentina que faz explodir a caldeira.
A seguinte experiência, devida a Boutigny, ilustra tal explicação:
Depois de se ter aquecido ao rubro uma pequena caldeira, despeja-se um
pouco de água e arrolha-se fortemente. A água toma o estado de calefação.
Afastando-se, então, a chama, a caldeira esfria. Chega um momento em que
a água se reduz de chofre a vapor. A pressão desenvolvida pelo vapor é
suficiente para arremessar violentamente a rolha.
b)
A calefação explica por que um mágico pode impunemente lamber um ferro
em brasa: a umidade da língua entra em calefação e impede o contato com
o ferro. Do mesmo modo, pode-se impunemente mergulhar, um instante, a mão
num banho de chumbo fundido, cortar com a mão um jato de ferro ou de
vidro em fusão; basta que o operador tome o cuidado de umedecer
previamente a mão com líquido volátil, água, álcool etc.
c)
Com o ar liquido ou outros gases liquefeitos, cuja temperatura é
excessivamente baixa, é o calor da mão que calefaz o gás liquefeito.
Apesar da calefação efetivar alguma proteção, não recomendamos ao
aluno colocar o dedo dentro de um vaso de Dewar contendo nitrogênio líquido.
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