Balão de Ar Quente

Balão de ar quente – como “funciona”?

Suponho que a questão acima seja fácil de responder para muitos: “O ar quente sobe, isto é, é mais leve que o restante ar que está à temperatura ambiente; daí que nos incêndios se recomende andar junto ao chão, porque o fumo, que está quente, sobe, e junto ao chão poder-se-á encontrar oxigénio.” E porquê? Que efeito tem a temperatura no ar? A resposta a esta questão não só é válida para o ar, como para todos os gases, líquidos e sólidos, ou seja, basicamente para tudo. Maior temperatura leva a que, normalmente, “tudo” expanda. Esta expansão significa que o mesmo “objecto” (com “objecto” refiro-me a sólidos, líquidos e gases), com o mesmo peso, passa a ocupar um maior volume, portanto a densidade diminui (que é a razão entre a massa e o volume de um objecto). Portanto, o que foi dito anteriormente de o ar quente ser mais leve que o ar frio, não é exactamente verdade – o peso é o mesmo, a diferença é que a dada quantidade de ar quente ocupa um maior espaço que a mesma quantidade de ar frio. Assim, o que acontece para um balão se manter “lá em cima” não é mais que um fenómeno semelhante ao de se ter um pedaço de madeira a flutuar na água.

Talvez alguns se estejam a questionar: “Mas então, porque é que os balões não continuam a subir até sair da atmosfera?” Acontece que subir o primeiro quilómetro é mais fácil que subir o segundo, e o segundo mais fácil que o terceiro… Quanto mais se sobe, mais rarefeito é o ar (daí que quem não está habituado ao “ar da montanha”, tenha dificuldades em respirar, pois existe menos ar por uma dada unidade de volume, em comparação com o “ar ao nível do mar”), ou seja, menos denso é o ar, e como tal, mais se terá que aquecer o ar do balão para conseguir voar mais para cima. (Claro que nesta “história”, não nos podemos esquecer da gravidade – ver figura seguinte, que é a força que está a ser vencida quando existe uma diferença significativa de densidades – uma diferença mínima não chega, pois não nos podemos esquecer que o balão tem que “puxar” o cesto e os pesos que tiver dentro).

Como podem ver na imagem, a gravidade puxa o balão para baixo, mas a diferença de densidades entre o ar dentro e o ar fora do balão gera uma pressão que faz o balão subir. Quando o balão está “parado” a uma dada altitude, é porque as duas “forças” têm a mesma magnitude (mas sentidos opostos).

 Antes disse: “Maior temperatura leva a que, normalmente, “tudo” expanda.” Conhecem algum contra-exemplo, que justifique o uso da palavra “normalmente”? Claro que sim: o gelo. Como sabem, o gelo é água a uma temperatura inferior a 0º C, no entanto, o gelo flutua em água líquida, ou seja, ainda que o gelo esteja a menor temperatura, é menos denso que a água, ou seja, ocupa um maior volume (por isso é que se colocarem uma garrafa cheia com água no congelador, a garrafa irá rebentar). Notar que isto só ocorre da passagem do gelo para a água! Obviamente que o vapor de água é menos denso que a água líquida.

O gelo flutua na água. Esta é uma propriedade bastante particular da água, e uma das que torna esta substância tão especial. Se a água não tivesse esta propriedade, é possível que não existisse vida (pelo menos, não da forma como a conhecemos)!

Surge então a questão: “Porquê que certos materiais, em certas condições, expandem com o aumentar da temperatura, mas outros não?”

Para responder a esta questão é necessário compreender que tudo o que vemos é constituído por pequenas partículas microscópicas, as quais se organizam a um nível bastante elementar. O efeito da temperatura nestas partículas tem o papel de agitação, isto é, quanto maior a temperatura, maior a velocidade com que as partículas se movimentam. Assim, considerando novamente o exemplo do balão de ar quente, ao se aquecer o ar, faz-se com que as partículas que constituem o ar passem a movimentar-se mais depressa, “querendo”, por isso, ocupar um maior volume. Imaginem um carro a andar aos círculos – quanto maior for a sua velocidade, necessariamente maior será o espaço que ele precisa para conseguir fazer os círculos (talvez a comparação não seja a melhor, mas tentem vocês mesmos imaginar as partículas a andarem a maior velocidade). Formalmente, em Física, considera-se que a pressão que um gás gera é uma medida directa do número de choques que as partículas do gás fazem com as paredes do recipiente (do balão, por exemplo), assim, se têm maior velocidade, irão percorrer o interior do balão mais depressa, e portanto batem mais vezes nas “paredes interiores” do balão, fazendo com que este expanda – o que é o mesmo que dizer que o próprio ar expandiu, e por isso passou a ocupar um maior volume.

No caso do gelo, este ocupa um maior volume que a água líquida, porque, apesar de as partículas (moléculas de H2O) se moverem menos no gelo, elas adquirem uma estrutura muito “espaçosa” perfazendo uma densidade menor que a da água líquida. O gelo é uma excepção, pois a regra é que uma substância no estado sólido adquira uma estrutura muito compacta (mais compacta que a de estado líquido, onde a liberdade de movimento das partículas é maior).