Dilatação anômala da água

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A água não se comporta termicamente como a maioria dos líquidos. Isto causa conseqüências muito importantes na natureza, em virtude da sua abundância em nosso planeta. Para analisar esse comportamento, imagine que certa quantidade de água a 0 °C é colocada em um recipiente praticamente indilatável. Aumentando a temperatura, o volume do líquido diminui até a temperatura atingir 4 °C. A partir daí, se o aquecimento continua, o volume do líquido passa a aumentar. A conclusão que se pode tirar desse efeito é a de que, no aquecimento de 0 °C a 4 °C, a água sofre contração. No aquecimento acima de 4 °C, ocorre dilatação.

Isto pode ser mostrado através do gráfico à direita:

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O comportamento irregular da água, ao ter sua temperatura variada, é explicado pela existência de um tipo especial de ligação entre suas moléculas: ligações de hidrogênio. Essa ligação é de natureza elétrica e ocorre entre átomos de hidrogênio ligados aos elementos do grupo FON (flúor, oxigênio e nitrogênio). As ligações de hidrogênio estabelecem-se pelo fato de as moléculas de água serem polares, isto é, elas apresentam uma certa polaridade elétrica. Então, quando a temperatura de certa quantidade de água aumenta a partir de 0 °C, ocorre dois efeitos que se opõem quanto à sua manifestação macroscópica:

  • a maior agitação térmica molecular produz um aumento na distância média entre as moléculas, o que se traduz por um aumento de volume (dilatação);
  • as ligações de hidrogênio se rompem e, devido a esse rompimento, na nova situação de equilíbrio as moléculas se aproximam uma das outras, o que se traduz por uma diminuição de volume (contração).

Ambos os efeitos estão sempre ocorrendo. A predominância de um ou outro efeito é que vai acarretar a dilatação ou contração da água. Daí podermos concluir que, de 0 °C a 4 °C, predomina o segundo efeito (rompimento das pontes de hidrogênio), acarretando contração da água. No aquecimento acima de 4 °C, o efeito predominante passa a ser o primeiro (aumento da distância) e, por isso, ocorre dilatação.

Congelamento de lagos e mares

Em regiões muito frias, com invernos rigorosos, observa-se que os lagos têm sua superfície congelada, mas a água no fundo permanece no estado líquido, com temperatura entre 0 ºC e 4 ºC. Essa ocorrência é providencial, no sentido de preservar a vida aquática no fundo dos lagos e mares dessas regiões. Suponhamos que, num dado instante, a temperatura do ar comece a cair (a partir de 18 ºC, por exemplo). A água da superfície, em contato com o ar, arrefece e fica mais densa que a água do fundo. Essa diferença de densidade provoca a movimentação da água: sobe água "quente" e desce água "fria". No entanto, ao ser atingida a temperatura de 4 ºC, essa movimentação cessa, pois, nessa temperatura, a água tem densidade máxima. Se o arrefecimento continuar, a água da superfície fica menos densa que a água do fundo, não mais sendo possível a troca de posição. A água superficial pode chegar a congelar, mas a do fundo mantém-se líquida. O arrefecimento da água do fundo ocorre muito lentamente, porque tanto a água líquida quanto o gelo conduzem mal o calor.