Dúvida do leitor: algumas perguntas sobre densidade



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O Renato de Curitiba-PR me mandou algumas perguntas, todas com o tema densidade. Decidi fazer um apanhado geral sobre o tema para responder as dúvidas do Renato e para ajudar quem chega até aqui através dos mecanismos de busca e tem dúvidas semelhantes sobre o mesmo tema.

Em primeiro lugar, vamos definir o que é densidade. Vamos usar a definição que está indicada na Wikipedia, que vai nos atender muito bem:

densidade (também massa volúmica ou massa volumétrica) de um corpo define-se como o quociente entre a massa e o volume desse corpo. Desta forma pode-se dizer que a densidade mede o grau de concentração de massa em determinado volume. O símbolo para a densidade é ρ (a letra grega ró) e a unidade SI é quilograma por metro cúbico (kg/m³).

Para a gente entender bem esse conceito, vamos fazer un gedankenexperiment  e pensar em um recipiente com volume de 1l. Se eu preencher esse recipiente com água, ele ficará fácil de carregar. Por outro lado, se eu preencher esse recipiente com esferas de chumbo bem pequenas (para ficarem próximas entre si e com menor espaço contendo ar entre elas), ele vai ficar bem mais difícil de carregar. Por isso dizemos que o chumbo é mais denso que as água.

E por falar em água, é muito comum utilizarmos a água como referência. Substâncias menos densas que a água flutuarão e substâncias mais densas que a água afundarão.

Uma curiosidade bastante interessante é que a densidade do planeta Saturno é de aproximadamente 0,687 g/cm³.Em outras palavras, numa hipótese bastante absurda porém curiosa, se existisse uma bacia d’água de proporções colossais onde fosse possível “colocar” Saturno dentro, o planeta boiaria, já que a densidade da água é de aproximadamente 1,0 g/cm³ (esse valor vai variar um pouquinho dependendo da salinidade da água e da presença de sais minerais, sujeira diluída, etc). Ou seja, Saturno é menos denso que a água e portanto, boiaria.

Agora que a gente já conhece a definição de densidade, vamos discutir as perguntas do Renato.

A densidade e a pressão do ar diminuem com o aumento da altitude. Por quê?

Aqui é importante a gente definir pressão do ar também. Eu falei sobre pressão atmosférica nesse post e vou resumir a definição aqui:

A pressão atmosférica é o peso que uma coluna de ar atmosférico exerce sobre um determinado ponto da superfície da Terra.  O peso desta coluna de ar pode variar. Na aproximação de uma tempestade, por exemplo, a pressão do ar diminui. Verificamos essa diminuição utilizando o barômetro, instrumento inventado por Torricelli em 1643, que mede a pressão atmosférica.

A densidade diminui com a altitude porque a quantidade de ar também diminui com a altitude. No nível do mar, o ar atmosférico tem uma densidade de 0,01225g/cm³. Já a uma altitude de aproximadamente 20.000m, temos uma densidade de 0,0008891g/cm³. E em uma altitude de aproximadamente 80.000m, a densidade é 0,0000001846g/cm³. Sendo assim:

  • Comparando o nível do mar com a altitude de 20.000m, temos que a densidade na altitude de 20.000m é cerca de 13 vezes menor que no nível do mar;
  • Comparando o nível do mar com a incrível altitude de 80.000m, temos que a densidade na altitude de 80.000m é cerca de 66000 vezes menor do que no nível do mar😱.

Em outras palavras e mudando um pouco as unidades para facilitar a compreensão, em 1m³ de ar no nível do mar temos 12,25 kg de ar. Já a 20.000m de altitude, temos 0,8891 kg de ar em 1m³ de ar e em 80.000m de altitude, temos 0,0001846kg de ar em 1m³ de ar.

Eu fiz um gráfico usando os dados de densidade do ar desse site. Temos portanto um gráfico da variação da densidade (kg/m³) de acordo com a altitude (m). Podemos ver que a redução da densidade com a altura é exponencial, o que já foi sugerido no parágrafo anterior quando podemos notar as grandes variações mencionadas.

Conforme a gente vai subindo em altitude, menor fica a coluna de ar. Como a pressão do ar é o peso que uma coluna de ar atmosférico exerce, temos menos ar (em massa) para fazer esse peso e portanto, menor a pressão do ar.

Assim, quanto menor a densidade do ar, menor a pressão atmosférica. Dizemos também que o ar vai ficando rarefeito com a elevação da altitude. Quando os jogadores brasileiros de futebol reclamam que vão jogar em cidades nos Andes (que estão em altitudes acima de 4000m), eles querem dizer que sentem desconforto para respirar já que há menos ar (portanto, menos oxigênio) para respirar e isso reduz a performance na prática de atividades esportivas. Claro, quem nasceu por lá ou mora há bastante tempo já se acostumou. E para minimizar esses efeitos, eles costumam chegar na cidade em que o jogo ocorrerá com antecedência, para já irem se acostumando com os efeitos da altitude.

A atmosfera é atraída para a superfície da Terra pela força de atração gravitacional. Quanto mais próximo da superfície da Terra, maior a força de atração gravitacional. Sendo assim, as moléculas de ar tendem a ficar mais próximas da Terra, principalmente as moléculas que tem mais massa (que é o caso do gás oxigênio e o gás nitrogênio, os principais constituintes da atmosfera).

Para complementar a resposta dessa pergunta, leia também:

E se algum colega físico ou meteorologista aparecer nesse post e achar que precisa corrigir ou acrescentar algo, deixe nos comentários! A autora do blog agradece☺.

No estado sólido, a água é menos densa do que no estado líquido. Por quê?

Vocês já devem ter percebido que o gelo flutua na água líquida. Ou seja, o gelo (água no estado sólido) é menos denso que a água no estado líquido. Outra observação da natureza é que os icebergs flutuam sobre os oceanos. Mas, o que acontece?

Essa é a pergunta mais difícil de responder, porque envolve Química (uma área que domino pouco). Vamos ter que falar do arranjo molecular da água.

As moléculas de água são formadas por dois átomos de hidrogênio ligados a um átomo de oxigênio, isto é, H2O. O oxigênio é mais eletronegativo que o hidrogênio, ou seja, ele atrai mais intensamente o par de elétrons, criando uma região com maior carga elétrica na molécula.

Dessa maneira, a molécula de água é polar: possui uma região negativa e outra positiva. A região negativa de uma molécula vai atrair a região positiva de outra molécula, criando interações intermoleculares bem intensas chamadas de ligações de hidrogênio.

No estado líquido, as moléculas ficam mais afastadas umas das outras. A medida que as moléculas vão congelando, elas se aproximam mais e formam mais ligações de hidrogênio e isso faz com que as moléculas se arranjem em uma organização específica (hexagonal) que permite mais espaços vazios. Esses espaços são os responsáveis pela expansão da água.

Como é que calculam as densidades do ar e da água?

Através de instrumentos de precisão. Após definirmos um volume padrão (1l, por exemplo), basta preenchermos aquele volume com água e então fazer as devidas medições usando balança de precisão.

Medir a densidade do ar é um pouco mais complicado, porque o ar precisa ser isolado dentro do recipiente para então ser ‘pesado’ em um arranjo experimental a vácuo. Entretanto, há maneiras de ‘pesar o ar’ em casa. Não há essa mesma precisão, porém são experimentos bem bacanas para fazer em casa e para apresentar em feiras de ciência. Veja os links a seguir:

A densidade do ar é maior que a densidade da água. Por quê?

Na verdade, a densidade da água é maior que a densidade do ar.

Em um recipiente com volume definido (vamos pensar em 1l, para associarmos com as jarras que temos em casa) é possível colocar uma maior quantidade em massa de água do que de massa ar. Acredito que as respostas anteriores já te ajudaram a concluir que a afirmação que você fez na sua pergunta não está certa, porém se restar alguma dúvida, deixe nos comentários!

Obrigada pela mensagem, Renato!

Bibliografia adicional

Agradecimentos

Gostaria de agradecer ao Vinícius do Monolito Nimbus por me avisar a respeito do gráfico de variação de densidade com a altura. Ele estava errado e eu já corrigi. Ocorre que eu peguei os dados de um site norte-americano, onde a divisão do decimal é um ponto. Eu esqueci de substituir o ponto por vírgula em um dos valores e o gráfico saiu errado.

Essa revisão por pares dentro da blogosfera é fantástica. Se você tem algo a acrescentar ou corrigir em qualquer post de meu blog, por favor, me avise. Eu procuro sempre revisar os posts, mas sempre passa alguma coisa.