Sob a tampa do motor: a química dos automóveis - Cynthia Chubbuck

Assista à aula completa: http://ed.ted.com/lessons/under-the-hood-the-chemistry-of-cars-cynthia-chubbuck

Existe cerca de um bilhão de automóveis no mundo atualmente, levando pessoas do ponto A para o ponto B. Mas os automóveis não são apenas um meio de transporte; eles também nos dão uma excelente aula de química. Cynthia Chubbuck percorre a química complicada que há nos motores dos automóveis e que impede que eles fiquem muito frios ou muito quentes.

Aula de Cynthia Chubbuck, animação de FOX Animation Domination High-Def.

Há hoje cerca de um bilhão
de automóveis no mundo

levando pessoas aonde precisam ir.

Os automóveis não são apenas
meios de transporte motorizado.

São também uma lição
que se deve aprender.

O processo de dar a partida
começa nos cilindros do motor.

Jatos de gasolina
do injetor de combustível

misturam-se com o ar
da válvula de admissão,

antes de sofrerem a ignição
provocada por uma faísca,

produzindo gases que se expandem
e empurram o pistão.

A combustão é uma reação exotérmica,
que libera calor. No caso, muito calor.

Embora muito desse calor
seja liberado pelo escapamento,

aquele que permanece no bloco do motor

precisa ser absorvido,
transportado e dissipado

para evitar que os componentes metálicos
se deformem ou até se derretam.

Aqui entra o sistema de arrefecimento.

Um líquido circula pelo motor.

Que tipo de líquido pode absorver
todo esse calor?

A água parece ser a escolha óbvia.

Afinal, seu calor específico,
a quantidade de energia

necessária para aumentar em 1ºC
a temperatura de 1 grama de água,

é maior do que
o de qualquer substância comum.

e há muita energia térmica
para ser absorvida.

Porém, usar água pode
nos trazer grandes problemas.

Motivo: seu ponto de congelamento é 0 ºC.

Como a água se expande ao congelar,

uma noite fria de inverno
pode significar um radiador rachado

e um bloco de motor danificado,
um cenário de arrepiar.

Como os motores de automóvel
podem ficar muito aquecidos,

o ponto de ebulição de 100 ºC,
relativamente baixo,

pode fazer ferver a cabeça de qualquer um.

Assim, em vez de água,
usa-se uma solução,

uma mistura homogênea,
formada por um soluto e um solvente.

Algumas das propriedades da solução
serão diferentes

dependendo da proporção
do soluto presente.

São as chamadas propriedades coligativas.

Por sorte, elas incluem o abaixamento
do ponto de congelamento

e a elevação do ponto de ebulição.

As soluções têm um ponto
de congelamento mais baixo

e maior ponto de ebulição
do que o solvente puro.

E quanto mais soluto houver,
maior será a diferença.

E por que essas propriedades mudam?

Antes, precisamos compreender
que a temperatura é uma medida

da energia cinética média das partículas.

Quanto mais frio o líquido,
menor a quantidade dessa energia

e mais lentamente
as moléculas se movem.

Quando o líquido congela,

as moléculas ficam suficientemente lentas

para as forças de atração
agirem entre si,

prendendo-se em uma estrutura cristalina.

A presença de partículas de soluto
perturba essas atrações

e a solução deve ser resfriada ainda mais

até que as partículas possam se organizar.

No ponto de ebulição,
quando um líquido ferve,

produz bolhas preenchidas com seu vapor.

Para uma bolha ser formada,

a pressão de vapor
deve se igualar à atmosférica,

que atua sobre a superfície
do líquido, continuamente.

Quando o líquido é aquecido,
sua pressão de vapor aumenta

e quando ela se iguala
à pressão atmosférica,

as bolhas se formam
e acontece a ebulição.

A pressão de vapor da solução
é menor do que a de um solvente puro.

Então ela precisa ser aquecida
a uma temperatura ainda maior

para igualar sua pressão
de vapor à da atmosfera.

Como medida adicional,
a pressão dentro do radiador

é mantida acima da pressão atmosférica

o que eleva o ponto
de ebulição em mais 25 ºC.

A solução mais usada num sistema
de arrefecimento de carros

é uma mistura de 50% de etilenoglicol
e 50% de água,

que congela a -37 ºC e ferve a 106 ºC.

Na maior proporção recomendada, 70%-30%,

o ponto de congelamento
é ainda menor, -55ºC,

e o ponto de ebulição sobe para 113 ºC.

Como se vê, quanto mais
etilenoglicol for adicionado

maior será a proteção que se consegue.
Dá para aumentá-la ainda mais?

Ocorre que não se pode ter
muito mais benefício com isso,

porque em proporções mais elevadas,
o ponto de congelamento começa a aumentar.

As propriedades da solução

tendem a ser
as propriedades do etilenoglicol,

que congela a -12ºC, uma temperatura maior

do que aquela obtida com a solução.

A solução circula pelo motor

e absorve calor em seu percurso.

Quando ela chega ao radiador,
é resfriada por uma ventoinha

bem como pelo ar que penetra
pela frente do automóvel,

antes de retornar
ao compartimento quente do motor.

Um líquido de arrefecimento,
eficiente e seguro,

deve ter calor específico elevado,
um baixo ponto de congelamento

e um alto ponto de ebulição.

Em vez de procurar no mundo todo

o líquido perfeito
que resolva nosso problema,

podemos criar nossa própria solução.