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Oct 28, 2023

O limite de altura de um sifão

Scientific Reports volume 5, Artigo número: 16790 (2015) Citar este artigo 78k Acessos 19 Citações 96 Detalhes de Altmetric Metrics Uma retificação deste artigo foi publicada em 02 de maio de 2017 Este

Scientific Reports volume 5, Artigo número: 16790 (2015) Citar este artigo

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19 citações

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Uma retificação deste artigo foi publicada em 02 de maio

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A altura máxima de um sifão é geralmente considerada dependente da pressão barométrica – cerca de 10 m ao nível do mar. Este limite surge porque a pressão num sifão acima do nível superior do reservatório está abaixo da pressão ambiente e quando a altura de um sifão se aproxima de 10 m, a pressão na coroa do sifão cai abaixo da pressão de vapor da água, fazendo com que a água ferva quebrando. a coluna. Após a ruptura, as colunas de ambos os lados são suportadas por pressão diferencial entre a ambiente e a região de baixa pressão no topo do sifão. Aqui relatamos um experimento de um sifão operando ao nível do mar a uma altura de 15 m, bem acima de 10 m. A desgaseificação prévia da água evitou a cavitação. Este experimento fornece evidências conclusivas de que os sifões operam por meio da gravidade e da coesão molecular.

Embora o sifão seja utilizado desde a antiguidade, o modo de funcionamento tem sido motivo de controvérsia1,2,3,4,5,6. Dois modelos concorrentes foram apresentados, um em que se considera que os sifões operam através da gravidade e da pressão atmosférica e outro em que a gravidade e a coesão líquida são invocadas. A principal evidência para o modelo atmosférico é que a altura máxima de um sifão é aproximadamente igual à altura de uma coluna de líquido que pode ser suportada pela pressão barométrica ambiente. Neste modelo, um sifão é considerado dois barômetros consecutivos. Outra evidência que sustenta o modelo atmosférico é o fato de que o fluxo do sifão pode ocorrer com uma bolha de ar dentro do tubo, de modo que não há conexão física entre as moléculas de água. A evidência que apoia o modelo de coesão gravitacional é que foi demonstrado que os sifões operam sob condições de vácuo7,8,9 e o modelo pode explicar uma curiosa característica semelhante a uma cachoeira quando um sifão está operando próximo ao limite barométrico10.

Ambos os modelos de sifão – atmosférico e de coesão – prevêem que a altura máxima de um sifão depende da pressão barométrica ambiente. No caso do modelo atmosférico, a pressão da atmosfera é necessária para manter a coluna de água unida. No modelo de coesão, o limite é explicado pela pressão no topo do sifão cair abaixo da pressão de vapor da água, a uma determinada temperatura, de modo que ocorre a cavitação, ou seja, a água começa a ferver rompendo a coluna.

No entanto, o modelo de coesão prevê que se a cavitação puder ser evitada, o limite barométrico de altura poderá ser quebrado. A razão para a coesão é que as superfícies custam energia e a superfície água/ar não é diferente. Para a água, a energia superficial é frequentemente referida como tensão superficial. A energia superficial da interface água/ar é 0,072 J/m2. Custa energia fazer bolhas na água por causa da energia da superfície da bolha. Para que uma bolha seja estável ela deve ser sustentada pela pressão interna de um gás ou pela tensão equivalente (pressão negativa) na água. Para gás numa bolha a pressão (P) é dada por (1). Esta equação11 é exata para um gás ideal, mas é uma aproximação para um gás real.

onde γ é a energia superficial (J/m2 ou N/m) e r (m) é o raio da bolha. Uma boa pressão de referência é a pressão atmosférica que é = 1,013 × 105 Pa (N/m2). Uma pressão interna de uma atmosfera (ou tensão equivalente na água) poderia sustentar uma bolha de raio r onde:

Ou seja, uma pressão interna de uma atmosfera é gerada por uma bolha de raio de 1,42 μm (diâmetro de 2,8 μm). Equivalentemente, uma tensão igual ao suporte de uma atmosfera ocorreria para uma bolha vazia de 2,8 μm de diâmetro. Uma bolha menor suportaria maior tensão de água e uma bolha maior suportaria menor tensão de água. Uma bolha de 2,8 nm de diâmetro poderia tolerar uma tensão de água igual a 1000 atmosferas (100 MPa).