Porque o ponto de ebulição da água varia conforme a altitude e a pressão atmosférica local?

O que é, quanto vale e como é medida a pressão que o ar faz sobre nós.

Nas páginas listadas abaixo tentamos explicar, sem muita matemática, o que é pressão, o que é e quanto vale a pressão atmosférica, como medí-la e como demonstrá-la em casa ou na sala de aula. Divirta-se.
O que é mesmo pressão? E o que é a pressão atmosférica?

A experiência de Torricelli. O barômetro.

Antes de falarmos sobre a pressão atmosférica vamos dizer o que é pressão. Temos um butijão rígido de metal contendo um gás como aquele que usamos na cozinha. Na figura, as moléculas do gás são representadas por pontinhos em movimento constante. É claro que o número dessas moléculas é tremendamente grande mas, para nossos fins, basta ver algumas delas, como na figura.

Imagine que há, dentro do gás, uma superfície rígida de metal. Essa folha de metal pode existir realmente ou ser apenas imaginada por você, tanto faz. Na figura, vemos essa folha de lado, por isso parece um traço. Ela é continuamente atingida, de ambos os lados, pelas moléculas do gás. Cada choque faz uma pequena força sobre a superfície e, somando todas as pequenas forças, vemos que a folha de metal está sendo empurrada (ou pressionada) pelas moléculas. Acontece que, em média, o número de choques de um dos lados é igual ao número de choques no lado oposto. Portanto, a força exercida pelo gás sobre um dos lados da superfície é igual à força sobre o outro. Com isso, a folha de metal fica em equilíbrio.

Pois bem, vamos chamar de pressão do gás a força feita sobre um dos lados dividida pela área da folha.
É claro que a pressão sobre a folha é a mesma em cada lado, o que faz com que ela não se abale de seu lugar. Reina, dentro do gás, um equilíbrio dinâmico. Agora, com um pouco de imaginação, você vai concordar com as seguintes afirmações:

– A pressão é a mesma em qualquer posição dentro do butijão. Como o gás está bem distribuido dentro do butijão, não há razão para que a pressão em um ponto seja diferente da pressão em outro ponto. Se isso acontecer, por acaso, as moléculas rapidamente se redistribuem de modo a homogeneizar a pressão.

– A força não depende da orientação da folha. Na figura, desenhamos uma folha inclinada mas, a pressão seria a mesma se ela estivesse horizontal ou vertical ou de qualquer outro jeito.

– A pressão é a mesma sobre as paredes do butijão ou sobre qualquer superfície dentro do gás.

Do lado de fora do butijão, estão as moléculas do ar atmosférico, elas também em constante movimento, bombardeando as paredes externas com seus pequenos choques. Em outras palavras, o ar exerce uma pressão sobre as paredes externas do butijão. Essa pressão é a pressão atmosférica. Normalmente, ela é menor que a pressão do gás no interior do butijão. As paredes de metal do butijão precisam ser suficientemente rígidas para resistir a essa diferença de pressão.

Como a pressão é uma força por área, a unidade usada para ela pode muito bem ser o quilograma-força por metro quadrado (kgf/m2). Ou o quilograma-força por centímetro quadrado (kgf/cm2). Ou ainda, a libra-força por polegada quadrada, usada para indicar a pressão dos pneus de carro.

Deu para entender? Pois muito bem, com essas informações podemos, agora, dar mais detalhes sobre a pressão atmosférica.

Que força o ar atmosférico faz sobre nós?

Torricelli

Sabemos que o ar atmosférico exerce uma pressão sobre tudo que existe na superfície da Terra. Queremos saber com medir essa pressão. Quem primeiro fez essa medida foi um discípulo de Galileu chamado Evangelista Torricelli, em 1643.

Naquele tempo havia uma história de que “a natureza tem horror ao vácuo”. Segundo essa crença, seria impossível manter qualquer região do espaço no vácuo, por algum tempo. A existência do vácuo, inclusive, era considerada um dos “219 erros execráveis” pelos teólogos da época e acreditar nisso era quase uma heresia.

Torricelli tomou um tubo longo de vidro, fechado em uma das pontas, e encheu-o até a borda com mercúrio. Depois tampou a ponta aberta e, invertendo o tubo, mergulhou essa ponta em uma bacia com mercúrio. Soltando a ponta aberta notou que a coluna de mercúrio descia até um certo nível mas estacionava quando alcançava uma altura de cerca de 76 centímetros (veja a figura).

Torricelli logo percebeu que acima do mercúrio havia o execrável vácuo. E por que o mercúrio parou de descer quando a altura da coluna era de 76 cm? Porque seu peso foi equilibrado pela força que a pressão do ar exerce sobre a superfície do mercúrio na bacia.

A pressão atmosférica multiplicada pela área da seção do tubo é uma força que empurra o mercúrio da coluna para cima. Essa força é representada pela seta para cima, na base da coluna. No equilíbrio, essa força é exatamente igual ao peso da coluna (representada pela seta para baixo). Isso acontece quando a coluna tem 76 cm de altura, se o líquido for o mercúrio. Se o líquido fosse a água a coluna deveria ter mais de 10 metros de altura para haver equilíbrio, pois a água é cerca de 14 vezes mais leve que o mercúrio.

Com essa experiência Torricelli mostrou que é possível obter um vácuo e mantê-lo pelo tempo que se quiser. Ele notou também que a altura da coluna de mercúrio não era sempre constante mas variava um pouco, durante o dia e a noite. Concluiu, daí, corretamente, que essas variações mostravam que a pressão atmosférica podia variar e suas flutuações eram medidas pela variação na altura da coluna de mercúrio. Portanto, Torricelli não apenas demonstrou a existência da pressão do ar mas inventou o aparelho capaz de medí-la: o barômetro. E, de quebra, ainda provou que a natureza não tem nenhum horror ao vácuo.

Variação da pressão com o local, o tempo e a altitude.

Vimos que a pressão é força por unidade de área. Portanto, a UNIDADE de pressão pode ser, por exemplo, 1 quilograma-força por metro quadrado (1 kgf/m²). Ou 1 quilograma-força por centímetro quadrado (1 kgf/cm²). É costume chamar a pressão normal, ao nível do mar, simplesmente de 1 atmosfera. Ou então dizer que ela vale 76 centímetros de mercúrio (76 cmHg), referindo-se à altura da coluna de mercúrio no barômetro. O valor da pressão atmosférica ao nível do mar é de 1 kgf/cm², aproximadamente. Esse é um valor bem conveniente de se decorar, não é mesmo?

Se quisermos saber qual é a FORÇA que o ar atmosférico faz sobre nosso corpo basta multiplicar essa pressão, em kgf/cm², pela área de nosso corpo, em cm². É claro que essa área varia de pessoa a pessoa mas um valor médio de 1 metro quadrado (= 10.000 cm²) pode ser considerado como típico. Logo, a força que o ar faz sobre nosso corpo é, aproximadamente:

1 kgf/cm² x 10.000 cm² = 10.000 kgf = 10 toneladas.

Isto é, o ar faz uma força de 10 toneladas sobre nosso corpo!

Por que não somos esmagados por essa força enorme? Pela mesma razão que uma bolha de sabão ou um balão de aniversário também não são esmagados. O ar dentro da bolha ou do balão e os fluidos dentro de nosso corpo (o sangue e outros) estão a uma pressão igual ou ligeiramente maior que a pressão atmosférica. A força da atmosfera sobre nós é compensada pela força de nossos fluidos internos.

E que pressão é aquela que os médicos medem na gente, enrolando um tubo de borracha em nosso braço? É um pequeno excesso da pressão sanguínea (ou arterial) acima da pressão atmosférica. Esse excesso serve para fazer o sangue fluir pelas artérias e veias e é gerado por uma bomba que a gente tem dentro do peito chamada (adivinhe…)

Demonstrações interessantes e dramáticas da pressão atmosférica.

Torricelli já tinha notado que a pressão atmosférica varia. Medindo a altura da coluna de mercúrio em seu barômetro, ele descobriu que a pressão dá indicações sobre o clima. Quando a pressão baixa bastante é sinal que vai chover, por exemplo.

A pressão média em um determinado local varia durante o ano. Veja na figura ao lado como a pressão atmosférica varia, em média, durante um ano, na cidade de Porto Alegre.

Além disso, a pressão atmosférica também varia com a altitude do lugar. O gráfico abaixo dá o valor (médio) da pressão em várias altitudes. Em Fortaleza, ao nível do mar, a pressão é 1 atmosfera, isto é, 1 kgf/cm² ou 760 mmHg. Em São Paulo, a 820 metros de altitude, ela cai um pouco. Em La Paz, capital da Bolívia, a 3600 metros de altitude, ela já cai para 2/3 de uma atmosfera. Aí o ar fica rarefeito, a quantidade de oxigênio é menor que aqui por baixo. Não admira que nossa seleção de futebol tenha tanta ojeriza a jogar em La Paz.

No Everest, ponto mais alto do planeta, a mais de 8000 metros, a pressão é menor que 1/3 de uma atmosfera. Nessa altitude, só com máscara de oxigênio. Os animais que vivem nas altas montanhas têm coração e pulmão maiores que o normal dos outros bichos. A vicunha, por exemplo, que vive nos Andes, tem 3 vezes mais glóbulos vermelhos por milímetro cúbico de sangue que um homem do litoral.

Outra coisa interessante da pressão atmosférica é seu efeito sobre a temperatura de transição da água. A temperatura de ebulição da água (isto é, a temperatura em que ela passa do estado líquido para vapor) é 100 graus centígrados ao nível do mar mas fica menor em maiores altitudes onde a pressão atmosférica é menor. Em La Paz, a água ferve a 90 graus.