Água: Projetada para a vida (4 de 7)
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| Deus "projetando a água" (Imagem gerada por IA em Google Whisk) |
por John Millam, Ken Klos e Iain D. Sommerville
17 de junho de 2013
Os escritores convidados John Millam, Ken Klos e Iain D. Sommerville retornam com sua série sobre a singularidade da água. Até aqui, os autores descreveram uma base teórica geral para a compreensão das propriedades essenciais da água à vida. Aqui, na parte 4, os autores voltam nossa atenção para maneiras específicas pelas quais essas propriedades são idealmente projetadas para a vida.
Do ponto de vista químico, o mais fascinante sobre a água é que ela é única. Em muitas de suas propriedades, a água difere de compostos similares e apresenta valores fora da faixa normal. São exatamente essas diferenças que a tornam tão ideal para o seu papel no sistema de suporte à vida na Terra. [1]
No mês passado, iniciamos nossa exploração da água destacando o formato curvado da molécula de água (parte 1) e a importância das ligações de hidrogênio (partes 2 e 3). Com base nisso, podemos agora discutir as propriedades específicas da água. As partes 4 e 5 se concentrarão exclusivamente nas características térmicas da água (aquelas que lidam com calor e temperatura); a parte 6 abordará as propriedades restantes e a parte 7 discutirá a disponibilidade de água líquida em nosso sistema solar.
Propriedades Térmicas Excepcionais da Água
Em 1913, Lawrence Joseph Henderson publicou o primeiro estudo demonstrando quantitativamente que as propriedades da água, incluindo suas características térmicas, são distintamente benéficas para a vida. [2] Entre elas estão os altos pontos de fusão e ebulição da água (parte 2) e a expansão após o congelamento (parte 3); outras incluem, [3]
Para ajudar aqueles que não estão familiarizados com essas quatro propriedades, definiremos cada uma delas no contexto de seu papel na moderação do clima global.
Capacidade de Calor
A capacidade térmica é uma medida da capacidade de uma substância absorver calor. Especificamente, é a quantidade de energia térmica necessária para elevar a temperatura de uma substância em um grau Celsius. Quanto maior a capacidade calorífica de uma substância, mais calor ela pode absorver por grau de aumento de temperatura. Em outras palavras, para uma dada quantidade de calor absorvida, compostos com maiores capacidades caloríficas sofrerão um aumento de temperatura correspondentemente menor.
Assim, a alta capacidade calorífica da água garante que suas temperaturas permaneçam estáveis e não mudem muito rapidamente — tornando-a extremamente adequada para a estabilização do clima global. Se a água fosse como a maioria dos compostos (com uma capacidade calorífica muito menor), o resultado seriam diferenças mais extremas na temperatura da água entre o verão e o inverno e entre o dia e a noite — causando desastres climáticos mais severos.
Essa alta capacidade calorífica também permite que a água armazene e transporte enormes quantidades de calor. Por exemplo, quando os oceanos absorvem calor, as correntes oceânicas ajudam a redistribuí-lo (ver Figura 1). As correntes transportam água quente para longe das regiões equatoriais e a transportam para as regiões mais frias próximas aos polos. [4] Após liberarem seu calor, as correntes frias de retorno ajudam a resfriar as regiões equatoriais. Esse processo de transferência de calor, dependente da alta capacidade calorífica da água para sua eficácia, resulta em uma distribuição mais uniforme do calor, reduzindo as diferenças de temperatura ao redor do globo.
17 de junho de 2013
Os escritores convidados John Millam, Ken Klos e Iain D. Sommerville retornam com sua série sobre a singularidade da água. Até aqui, os autores descreveram uma base teórica geral para a compreensão das propriedades essenciais da água à vida. Aqui, na parte 4, os autores voltam nossa atenção para maneiras específicas pelas quais essas propriedades são idealmente projetadas para a vida.
Do ponto de vista químico, o mais fascinante sobre a água é que ela é única. Em muitas de suas propriedades, a água difere de compostos similares e apresenta valores fora da faixa normal. São exatamente essas diferenças que a tornam tão ideal para o seu papel no sistema de suporte à vida na Terra. [1]
No mês passado, iniciamos nossa exploração da água destacando o formato curvado da molécula de água (parte 1) e a importância das ligações de hidrogênio (partes 2 e 3). Com base nisso, podemos agora discutir as propriedades específicas da água. As partes 4 e 5 se concentrarão exclusivamente nas características térmicas da água (aquelas que lidam com calor e temperatura); a parte 6 abordará as propriedades restantes e a parte 7 discutirá a disponibilidade de água líquida em nosso sistema solar.
Propriedades Térmicas Excepcionais da Água
Em 1913, Lawrence Joseph Henderson publicou o primeiro estudo demonstrando quantitativamente que as propriedades da água, incluindo suas características térmicas, são distintamente benéficas para a vida. [2] Entre elas estão os altos pontos de fusão e ebulição da água (parte 2) e a expansão após o congelamento (parte 3); outras incluem, [3]
- a segunda maior capacidade térmica de todos os líquidos e sólidos;
- o maior calor de evaporação de qualquer substância conhecida;
- o segundo maior calor de fusão de todos os líquidos conhecidos; e
- a maior condutividade térmica de todos os líquidos conhecidos.
Para ajudar aqueles que não estão familiarizados com essas quatro propriedades, definiremos cada uma delas no contexto de seu papel na moderação do clima global.
Capacidade de Calor
A capacidade térmica é uma medida da capacidade de uma substância absorver calor. Especificamente, é a quantidade de energia térmica necessária para elevar a temperatura de uma substância em um grau Celsius. Quanto maior a capacidade calorífica de uma substância, mais calor ela pode absorver por grau de aumento de temperatura. Em outras palavras, para uma dada quantidade de calor absorvida, compostos com maiores capacidades caloríficas sofrerão um aumento de temperatura correspondentemente menor.
Assim, a alta capacidade calorífica da água garante que suas temperaturas permaneçam estáveis e não mudem muito rapidamente — tornando-a extremamente adequada para a estabilização do clima global. Se a água fosse como a maioria dos compostos (com uma capacidade calorífica muito menor), o resultado seriam diferenças mais extremas na temperatura da água entre o verão e o inverno e entre o dia e a noite — causando desastres climáticos mais severos.
Essa alta capacidade calorífica também permite que a água armazene e transporte enormes quantidades de calor. Por exemplo, quando os oceanos absorvem calor, as correntes oceânicas ajudam a redistribuí-lo (ver Figura 1). As correntes transportam água quente para longe das regiões equatoriais e a transportam para as regiões mais frias próximas aos polos. [4] Após liberarem seu calor, as correntes frias de retorno ajudam a resfriar as regiões equatoriais. Esse processo de transferência de calor, dependente da alta capacidade calorífica da água para sua eficácia, resulta em uma distribuição mais uniforme do calor, reduzindo as diferenças de temperatura ao redor do globo.
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| Figura 1: Correntes oceânicas superficiais (Imagem de NOAA via cK-12) CLIQUE PARA AMPLIAR |
As correntes oceânicas também desempenham um papel na moderação das temperaturas terrestres, especialmente nas regiões costeiras. Por exemplo, graças à Corrente do Golfo do Oceano Atlântico, o norte da Europa (principalmente Inglaterra, Irlanda e Islândia) é consideravelmente mais quente do que outras regiões em latitudes semelhantes.
Calor de Fusão
O calor de fusão é uma medida do calor necessário para derreter algo. Essa medida também é conhecida como calor de fusão porque governa simultaneamente o processo inverso (converter líquido em sólido). O calor de fusão excepcionalmente alto da água ajuda a proteger as geleiras da Terra do derretimento. Também impede que os oceanos e a maioria dos lagos congelem completamente. Ambas as características são cruciais para a vida aquática.
À medida que a água esfria, sua temperatura diminui até atingir seu ponto de congelamento (0 °C ou 32 °F para água pura). No entanto, o resfriamento adicional não reduzirá a temperatura até que toda a água congele. Como os oceanos e os grandes lagos são grandes demais para congelar completamente, suas temperaturas nunca cairão abaixo do ponto de fusão da água. Como observado na parte 2, o ponto de fusão da água é excepcionalmente alto. Esses dois fatores se combinam para garantir que os oceanos e a maioria dos lagos nunca fiquem frios demais para sustentar a vida aquática.
Calor de Vaporização
O complemento do calor de fusão (mas na outra extremidade do espectro de temperaturas) é o calor de vaporização. A vaporização ocorre quando um líquido atinge seu ponto de ebulição e passa de líquido para gasoso. Embora seja o mesmo processo, a evaporação pode ocorrer a qualquer temperatura (embora a uma taxa muito mais lenta em temperaturas mais baixas). Portanto, o calor de evaporação é igual ao calor de vaporização.
A evaporação desempenha um papel crucial na prevenção do aquecimento excessivo de lagos e oceanos. A luz solar transfere muito calor à água e, consequentemente, eleva sua temperatura. Sem um mecanismo para dissipar a maior parte desse calor, muitos corpos d'água (talvez todos) ficariam quentes demais para a maioria da vida marinha.
A Terra escapa desse destino infernal graças à eficiência do resfriamento evaporativo. Uma parte da água líquida é convertida em vapor d'água, que transporta grande quantidade de calor e resfria a água restante. Para colocar esse fenômeno em perspectiva, considere que os oceanos tropicais perdem cerca de 2,3 metros de água por ano devido à evaporação — o que equivale à absorção de cerca de 1.000.000.000.000.000 (um quatrilhão) de calorias por quilômetro quadrado (ou cerca de 2,6 quatrilhões de calorias por milha quadrada)! [5] No caso dos lagos, o resfriamento evaporativo normalmente restringe o aumento real da temperatura diurna a apenas cerca de 0,6 °C (1 °F) por hora. [6]
O alto calor de evaporação da água também fornece outro mecanismo para moderar as temperaturas globais. O resfriamento evaporativo nos trópicos resulta em ar quente e úmido. Semelhante às correntes oceânicas, o vento transporta esse ar para latitudes mais altas, ao norte e ao sul, onde ajuda a aquecer climas mais frios. Essa transferência de calor de regiões quentes para frias ajuda a equilibrar as temperaturas globais. Portanto, sem o resfriamento evaporativo, as temperaturas planetárias estariam sujeitas a mudanças muito maiores.
Condução de Calor
A água é uma condutora de calor notavelmente boa. De fato, sua condutividade térmica é a mais alta entre todos os líquidos. Uma alta condutividade térmica significa que, em vez de se acumular em um único local, o excesso de calor se espalhará rapidamente e se distribuirá uniformemente. Essa característica da água é mais um meio de moderar a temperatura global. Em vez de aquecer ou resfriar apenas a superfície, a água modera as temperaturas em todo o corpo d'água, transmitindo prontamente o calor que absorve ou perde para a água subterrânea. Portanto, aumentar a temperatura da água superficial requer mais calor e diminuí-la requer perder mais calor.
Curiosamente, enquanto a água líquida é uma excelente condutora de calor, o gelo sólido é um isolante térmico. Quando o gelo se forma sobre a superfície dos lagos, ele retém o calor como uma camada espessa ou manta, protegendo assim o lago de um resfriamento adicional (veja a parte 3). A eficácia do gelo como isolante térmico também torna a água ideal para a manutenção da vida.
Conclusão
Mesmo este breve estudo é suficiente para demonstrar a veracidade da citação inicial: a água é a substância ideal para manter um clima planetário adequado à sustentação da vida. E a água só consegue fazer isso devido à sua excepcional capacidade de moderar o calor com mais eficiência do que outros líquidos. Sem a água e suas propriedades únicas, todo o planeta estaria sujeito a temperaturas muito mais extremas e com variações rápidas. Esses extremos certamente teriam impedido a Terra de abrigar qualquer tipo de vida vegetal ou animal complexa. Até mesmo a vida microscópica teria sido significativamente limitada.
Embora tenhamos descrito cada propriedade individualmente, deve-se notar que essas características, na verdade, funcionam em conjunto e seus efeitos se reforçam mutuamente. Por exemplo, a eficácia das correntes de ar em moderar as temperaturas depende tanto do calor de evaporação quanto da capacidade térmica. Se ao menos uma das propriedades térmicas da água tivesse sido menor (como acontece com outros líquidos comuns), a vida complexa não teria sido possível aqui na Terra ou em qualquer outro lugar. (Uma discussão extensa sobre como essas propriedades funcionam juntas pode ser encontrada em outro lugar. [7]) Nada mais poderia substituir a água, porque nenhuma outra substância chega perto de igualar todas as incríveis propriedades térmicas da água, muito menos suas outras características únicas. Claramente, a água foi projetada para a vida.
Na parte 5, discutiremos duas maneiras adicionais pelas quais as propriedades térmicas da água beneficiam a vida, conforme identificado no estudo de Henderson. [8]
Dr. John Millam
O Dr. John Millam recebeu seu doutorado em química teórica pela Rice University, em 1997, e atualmente atua como programador na Semichem em Kansas City.
Ken Klos
O Sr. Ken Klos recebeu seu mestrado em estudos ambientais pela Universidade da Flórida em 1971 e trabalhou como engenheiro ambiental/civil para o estado da Flórida.
Dr. Iain D. Sommerville
O Dr. Iain D. Sommerville recebeu seu doutorado pela Universidade de Strathclyde, Glasgow, Escócia, em 1966, e atualmente atua como professor emérito de ciência e engenharia de materiais na Universidade de Toronto.
Notas de Fim
- J. C. Bailer Jr. et al., Chemistry, 2 ed., (Orlando, FL: Academic Press, 1984), 422.
- Lawrence Joseph Henderson, The Fitness of the Environment (New York: MacMillan Company, 1913), 72–132.
- R. A. Horne, Marine Chemistry (New York: Wiley 1969), 15.
- Henderson, The Fitness of the Environment, 88–89, 182.
- Ibid.,101–102.
- Ibid., 98–101. O valor de 0,6 °C por hora foi obtido a partir de medições do Lough Derg (o segundo maior lago da Irlanda) durante um verão quente.
- Michael J. Denton, Nature’s Destiny (New York: The Free Press, 1998), 42–45.
- Henderson, The Fitness of the Environment, 105.
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Traduzido de Water: Designed for Life, Part 4 (of 7) (RTB)
Etiquetas:
propriedades físico-químicas da água - Argumento do Relojoeiro - ajuste fino da água
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