Matéria mole: Entre os sólidos e os líquidos

Estado líquido, esse estado misterioso

O estado líquido

O estado líquido é misterioso e subtil –flúi como um gás, mas ocupa um volume bem definido e não se expande para encher o recipiente que o contém. Se os líquidos não fossem relativamente comuns, é possível que ainda não tivessem sido previstos teoricamente. De facto, a água é a única substância que ocorre naturalmente no estado líquido em quantidades apreciáveis.

Foi só nas últimas décadas que uma imagem coerente do estado líquido emergiu, muito mais tarde do que a compreensão dos sólidos ou dos gases. As dificuldades na descrição dos líquidos têm origem em duas das suas características fundamentais.

• Em primeiro lugar, os líquidos são fases densas. As moléculas interagem constantemente com muitas outras moléculas tornando impossível o desenvolvimento de uma equação que descreva o comportamento do líquido com variações da pressão, da temperatura e do volume. Uma equação deste tipo pode ser derivada facilmente para um gás, no qual as moléculas colidem apenas com uma molécula de cada vez.
• Em segundo lugar, as posições moleculares e as orientações nos líquidos são aleatórias, tornando-os intrinsecamente desordenados.

Desta forma, os líquidos não têm um sistema de referência simples, como a rede perfeita associada aos sólidos cristalinos. Nos líquidos a desordem não é apenas estrutural, é também dinâmica. Num líquido, as moléculas individuais difundem-se a partir das posições iniciais, mas, para escalas de tempo suficientemente longas, dão origem a movimentos colectivos e ao regime hidrodinâmico.

Apesar destas complicações inerentes à descrição teórica do estado líquido, muitos aspectos da estrutura e dinâmica dos líquidos são hoje bem compreendidos. Muito deste progresso resultou da visão obtida através de simulações computacionais. Na realidade, a simulação computacional foi desenvolvida originalmente no Laboratório Lawrence Livermore, em Los Alamos (EUA), em meados dos anos 50, com o objectivo específico de estudar líquidos simples, para os quais não existia nenhuma teoria satisfatória.

A viscosidade

Porque é que a água escoa mais rapidamente do que o mel? A resposta rápida, porque o mel é mais viscoso, apenas remete para outra pergunta. O que é a viscosidade?

A viscosidade, cf. vídeo (source) é a maior ou menor habilidade dos fluidos resistirem a mudanças de forma, a volume constante.

Num gás, como o ar, a viscosidade deve-se sobretudo às colisões entre as moléculas e uma pequena parte da viscosidade é causada pela atracção molecular. Estas forças são muito maiores na água e no mel e jogam um papel crucial na determinação da viscosidade dos líquidos.

Se a viscosidade for muito baixa, como no ar, quase todo o momento transferido é usado para mover o fluido e muito pouco é usado para o ‘agitar’. Na água ou no mel isto não acontece e o fluido resiste ao movimento de uma forma eficaz, mesmo a baixas velocidades.

A viscosidade é uma medida da resistência do fluido ao movimento e descreve o atrito interno ao movimento causado pelas interacções moleculares. Um fluido com uma viscosidade alta resiste ao movimento, porque a sua estrutura molecular dá origem a um atrito interno elevado. Um fluido com uma viscosidade baixa flúi com facilidade, porque a sua estrutura molecular dá origem a um atrito interno reduzido, quando o fluido se move. Parece simples, mas, excepto para os gases diluídos, os cientistas não conseguem calcular a viscosidade dos fluidos com base nas teorias existentes.