Breathing and Instructing With Air

Abstract

Recebido em 18/01/2016; aceito em 25/04/2016; publicado na web em 08/07/2016 BREATHING AND INSTRUCTING WITH AIR. A set of quasi-quantitative experiments are described to relate volume and pressure variations associated to the phase changes of the main components of the air. The processes are promoted by variation of temperature using liquid nitrogen to refrigerate the air and get liquid oxygen, traces of dry ice and ice. The changes in volume and pressure associated to oxygen phase changes are used to discuss and rationalize phenomena as different as the effects of intermolecular forces on the properties of substances, industrial accidents resulting from a sudden pressure increase due to undesired reactions or even rationalize how popcorns are made. The ludic character of some of the experiments aims to promote the interest and curiosity of youngsters on scientific issues.Keywords: phase transitions; ideal gas equation; air composition; intermolecular forces. INTRODUÇÃOO ar que respiramos é essencial à vida, mas é também um recurso que pode ser usado com objetivos pedagógicos. As experiências aqui descritas usam o ar como fonte de gases, por ser uma mistura facilmente acessível e barata. O nitrogénio (nitrogênio), que é o componente mais abundante do ar (cerca de 78,1% em volume) pode ser usado no estado líquido como agente de refrigeração. À pressão atmosférica, o nitrogénio liquefaz à temperatura de -195,8 °C. 1,2 A essa temperatura o oxigénio (O 2 , cerca de 21% do ar em volume), que apresenta uma temperatura de ebulição mais elevada, encontra-se também no estado líquido (ponto de ebulição = -183,0 °C) 1 enquanto que, o dióxido de carbono (CO 2 ; cerca de 0,03%) e a água (H 2 O; variável) passam ao estado sólido a -78,5 °C e 0 °C, respetivamente. Para além destes componentes, é ainda significativa a quantidade de árgon (argónio; cerca de 0,9% em volume).3 A propósito da composição do ar, pode referir-se que a evolução da vida na Terra está associada à variação dos teores dos componentes da atmosfera ao longo dos tempos. Por exemplo, na Era Paleozoica (há cerca de 350 a 250 milhões de anos) o teor de oxigénio (constituinte capturado do ar pelos organismos vivos e fundamental para os processos metabólicos associados ao voo) na atmosfera era mais elevado do que presentemente, o que favoreceu a existência de animais voadores com dimensões superiores, em comparação com os atuais. Nessa altura e tendo em consideração a relevância do oxigénio nas combustões, 4,5 havia também condições mais favoráveis ao aparecimento e propagação de incêndios florestais.Há na literatura várias experiências em que o nitrogénio líquido é usado com fins pedagógicos para ilustrar a composição do ar, 6 as leis de Boyle, 7 de Charles ou de Avogadro, 8 ou ainda para fazer sorvete 9 ou truques com balões.10-13 Todavia, tanto quanto averiguamos não encontramos descrições de experiências com objetivos pedagógicos em que sejam efectuadas medidas de volume ou pressão, associadas à contração ou expansão do ar. No sentido de preencher essa lacun...