Ciência

Como a água quente ajuda a remover uma tampa de metal de um frasco de vidro?

A tampa metálica se expande a uma velocidade mais rápida do que a jarra de vidro, que forma um espaço entre a tampa metálica e a jarra de vidro. Esta lacuna cresce à medida que a tampa do metal se expande, até que a tampa apareça do frasco.

Use uma toalha de prato. Use uma faca. Bata-o no balcão. Usa as tuas mãos!  A Internet está cheia de dicas sobre como abrir um frasco de vidro teimoso com uma tampa de metal. No entanto, uma pequena ciência e alguma água quente podem poupar o esforço de fazer algo especial. A tampa apenas abre. Voila!

A expansão térmica é o que acontece quando você usa uma jarra sob água quente. Mas como funciona o processo?

Expansão térmica

A maioria dos materiais se expande a altas temperaturas e contraem-se a baixas temperaturas. O fenômeno pelo qual os materiais se expandem quando expostos ao calor é conhecido como expansão térmica .

Dentro do material

Todos os materiais são compostos de blocos de construção básicos conhecidos como átomos. Milhões de átomos compõem uma molécula, e um material é constituído por muitas dessas moléculas. Em sólidos, essas moléculas estão dispostas em um padrão específico, conhecido como estrutura de cristal. Eles são mantidos firmemente juntos dentro da estrutura como resultado de fortes forças atraentes, conhecidas como forças intermoleculares de atração . Dentro da estrutura de cristal, as moléculas vibram continuamente dentro de suas posições fixas.

Efeito do aquecimento

O calor é a energia interna que é transferida de um corpo a uma temperatura elevada para um corpo a baixa temperatura. Este processo também é conhecido como transferência de energia térmica . Quando um material é aquecido, ou recebe calor de uma fonte como água quente, as moléculas do material absorvem essa energia térmica.

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A energia térmica faz às moléculas o que a cafeína faz aos humanos – isso lhes dá um impulso energético. As moléculas, que anteriormente estavam apenas vibrando sobre suas posições fixas, agora começarão a saltar para cima e para baixo com essa energia adicional. Assim, cada molécula agora ocupa mais espaço do que antes para acomodar essas vibrações energéticas, o que faz com que o material se expanda.

Efeito da estrutura de cristal

Os metais têm uma estrutura de cristal organizada, o que significa que os átomos e moléculas nos metais ocupam posições específicas. O calor, portanto, é distribuído de forma mais uniforme em todo o material, permitindo que ele se expanda a uma taxa uniforme. Por outro lado, o vidro é frágil. A estrutura de cristal no vidro consiste em uma série de pequenos bolsões de átomos e moléculas dispostos de forma muito aleatória. Este arranjo desorganizado é conhecido como uma estrutura amorfa e atua como um curso de obstáculos que evita que a energia de calor seja distribuída uniformemente em todo o material.

À esquerda: uma estrutura cristalina ordenada, Direita: Uma estrutura amorfa desordenada
(Imagem editada, fonte original: Cdang / Wikimedia Commons)

Tampa de metal vs. frasco de vidro

A tampa metálica e o frasco de vidro absorvem diferentes quantidades de energia térmica e, portanto, expandem-se a taxas diferentes. Os metais, bons condutores de calor, são capazes de absorver a energia térmica da água quente com mais facilidade. Vidro, por outro lado, sendo um mau condutor de calor, também não pode absorver a energia térmica. Naturalmente, a tampa de metal e o frasco de vidro expandirão em taxas diferentes como resultado.

A transferência de energia térmica não envolve necessariamente a transferência de matéria. Embora a água quente esteja fluindo sobre o frasco, nem a tampa metálica nem o frasco de vidro absorvem qualquer uma das águas. Eles apenas absorvem a energia térmica que a água carrega junto com ela.

A tampa metálica se expande mais rapidamente do que a jarra de vidro (fonte da imagem: Pixabay)

A quantidade que indica a extensão em que um material pode expandir após o aquecimento é conhecido como o coeficiente de expansão térmica . O alumínio, que normalmente é usado para produzir tampas de jar, tem um coeficiente de expansão térmica de 23 × 10 ⁻ 6 por grau Celsius. Isso significa que o alumínio se expande em 0,000023 vezes suas dimensões originais toda vez que a temperatura é aumentada em um grau Celsius! Pelo contrário, o vidro tem um coeficiente de expansão térmica de apenas 9 × 10 -6 por grau Celsius, que é muito menor do que o alumínio.

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Como esperado, a tampa de metal se expande a uma taxa mais rápida do que o frasco de vidro, que forma um espaço entre a tampa metálica e o frasco de vidro. Esta lacuna cresce à medida que a tampa do metal se expande, até que a tampa apareça do frasco.

Outros exemplos de expansão térmica

A Torre Eiffel é um caso clássico de expansão térmica (fonte de imagem: Pixabay)

  • A Torre Eiffel é inteiramente feita de ferro forjado. Você pode não saber disso, mas a torre ganha cerca de seis centímetros de altura a cada verão devido à expansão térmica do ferro dentro dele!
  • Não, sua casa não está assombrada. As tubulações às vezes fazem barulhos quando você toma um banho quente porque a água quente faz com que os tubos se expandam. Os tubos se contraem quando a água esfria, causando os ruídos distintos.
  • Os recheios dentários podem muitas vezes dar-lhe uma dor de dente. Quando você consumir algo quente, os recheios metálicos se expandem a uma velocidade que é mais rápida do que o esmalte dentário, causando sensibilidade dentária e desconforto potencial.

Referências:

  1. Britannica.com
  2. HyperPhysics

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