ciências e experiências
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experiências
O Universo
O que é universo?
Em noites sem lua, em locais pouco iluminados por casas, ruas e edifícios, podemos ver uma infinidade de pequenos pontos luminosos no céu: são as estrelas. Ao observar o céu a olho nú, conseguimos ver uma parte mínima do que chamamos de Universo. Já na observação do céu feita com o auxílio de umtelescópio, é possível perceber que o número de corpos celestes é muito maior e também pode-se ver detalhes das formas e da cor dos astros. A atmosfera da Terra, contudo, limita a atuação dos telescópios terrestres, por este motivo são utilizados telescópios espaciais, como o telescópio Hubble, para as pesquisas astronômicas mais sofisticadas. Além destes instrumentos para o estudo do Universo, os cientistas contam com equipamentos de informática para cálculos, tratamento de dados e imagens recebidas dos telescópios, simulações etc.
Esses recursos possibilitaram responder à questão - o que compõe o Universo?
O Universo é composto por aglomerados de galáxias, com nebulosas, estrelas, cometas,planetas e seus satélites, e tudo que neles existe - no caso do planeta Terra, por exemplo, plantas, animais, rochas, água, ar etc.
Compare as duas fotos.
Observação do céu com a ajuda de um telescópio.
Observação do céu a olho nú.
Mas de onde surgiu o Universo? E as estrelas? E a Terra?
O surgimento do Universo
Existem várias explicações sobre a origem do Universo. Há, sobre esse assunto, as explicações religiosas e as científicas. Trataremos aqui da visão científica, ou seja, de como os cientistas procuram explicar os fenômenos que observam no Universo. Não se sabe ao certo , mas os cientistas calculam que o Universo tenha começado a existir há cerca de 15 bilhões de anos. Parece impossível afirmar uma coisa dessas -15 bilhões de anos é muito tempo!
O que levou os cientistas a pensarem que o Universo tenha tido um começo?
O telescópio Hubble, consegue captar a luz de estrelas que mostra como elas eram a bilhões de anos. Analisando a luz das estrelas, é possível saber a velocidade com que elas estão se afastando ou se aproximando de nós, sua composição química, idade, temperatura e massa, entre outros aspectos.
Os cientistas então descobriram algo inesperado: as galáxias estão se afastando da Terra!
Para você entender melhor o que está acontecendo, faça várias bolinhas de tinta com uma caneta sobre a borracha de uma bexiga (balão de aniversário) e comece a soprar. Veja o que acontece com a distância entre as marcas de tinta.
A análise da luz das estrelas mostra que as galáxias estão se afastando uma das outras, assim como as marcas feitas na bexiga. Isso acontece porque o Universo, como a bexiga de nosso exemplo, está se expandindo.
Mas se eles está se expandindo, podemos concluir que, no passado as galáxias estavam mais próximas. Quanto mais voltarmos no tempo, mais próximas elas estavam.
Podemos supor, então um momento em que toda a matéria do Universo estava compactada em um único ponto, infinitamente comprida em temperaturas enormes. Foi então o que aconteceu o que os cietistas chamam de "a grande explosão" ou, em inglês, o big-bang. Era o início do Universo, que teria ocorrido há mais ou menos 15 bilhões de anos.
Depois da explosão, a temperatura inicial, que era de mais de um trilhão de graus Celsius, começou a diminuir, e os átomos como formam a matéria hoje, se originaram, a partir dos prótons, elétrons e outras partículas.
Primeiro, os átomos se agruparam em núvens de gases. Cerca de um bilhão de anos depois, as primeirasestrelas e galáxias surgiram.
E antes do big-bang?
Os cientistas não sabem dizer. Como não havia nem tempo nem espaço antes da grande explosão, alguns acham difícil afirmar que havia alguma coisa anterior. Segundo eles, todo o Universo passou a existir só a partir da grande explosão.
Mas a ciência ainda não tem uma resposta para essa discussão. Como também não tem para o futuro do Universo.
O Sistema Solar
O sistema solar é um conjunto de planetas, asteróides e cometas que giram ao redor do sol. Cada um se mantém em sua respectiva órbita em virtude da intensa força gravitacional exercida pelo astro, que possui massa muito maior que a de qualquer outro planeta.
Os corpos mais importantes do sistema solar são os oito planetas que giram ao redor do sol, descrevendo órbitas elípticas, isto é, órbitas semelhantes a circunferências ligeiramente excêntricas.
Os planetas que compõem o sistema solar
O sol não está exatamente no centro dessas órbitas, como pode-se ver na figura abaixo, razão pela qual os planetas podem encontrar-se, às vezes, mais próximos ou mais distantes do astro.
Órbitas elípticas dos planetas do Sistema Solar
Origem do Sistema Solar
O sol e o Sistema Solar tiveram origem há 4,5 bilhões de anos a partir de uma nuvem de gás e poeira que girava ao redor de si mesma. Sob a ação de seu próprio peso, essa nuvem se achatou, transformando-se num disco, em cujo centro formou-se o sol. Dentro desse disco, iniciou-se um processo de aglomeração de materiais sólidos, que, ao sofrer colisões entre si, deram lugar a corpos cada vez maiores, os outros planetas.
A composição de tais aglomerados relacionava-se com a distância que havia entre eles e o sol. Longe do astro, onde a temperatura era muito baixa, os planetas possuem muito mais matéria gasosa do que sólida, é o caso de Júpiter, Saturno, Urano e Netuno. Os planetas perto dele, ao contrário, o gelo evaporou, restando apenas rochas e metais, é o caso de Mercúrio, Vênus, Terra e Marte.
Os componentes do Sistema Solar
O sol
O Sol é a fonte de energia que domina o sistema solar. Sua força gravitacional mantém os planetas em órbita e sua luz e calor tornam possível a vida na Terra. A Terra dista, em média, aproximadamente 150 milhões de quilômetros do Sol, distância percorrida pela luz em 8 minutos. Todas as demais estrelas estão localizadas em pontos muito mais distantes.
As observações científicas realizadas indicam que o Sol é uma estrela de luminosidade e tamanho médios, e que no céu existem incontáveis estrelas maiores e mais brilhantes, mas para nossa sorte, a luminosidade, tamanho e distância foram exatos para que o nosso planeta desenvolvesse formas de vida como a nossa.
O Sol possui 99,9% da matéria de todo o Sistema Solar. Isso significa que todos os demais astros do Sistema juntos somam apenas 0,1%.
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Composição do Sol O Sol é uma enorme esfera de gás incandescente composta essencialmente de hidrogênio e hélio, com um diâmetro de 1,4 milhões de quilômetros. O volume do Sol é tão grande que em seu interior caberiam mais de 1 milhão de planetas do tamanho do nosso. Para igualar seu diâmetro, seria necessário colocar 109 planetas como a Terra um ao lado do outro. No centro da estrela encontra-se o núcleo, cuja temperatura alcança os 15 milhões de graus centígrados e onde ocorre o processo de fusão nuclear por meio do qual o hidrogênio se transforma em hélio. Já na superfície a temperatura do Sol é de cerca de 6.000 graus Celsius. |
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Os planetas
Os planetas não produzem luz, apenas refletem a luz do Sol, que é a estrela do Sistema Solar.
Teorias afirmam que os planetas também foram formados a a partir de porções de massa muito quente e que todos estão de resfriando. Alguns, entre eles a Terra, já se resfriaram o suficiente para apresentar a superfície sólida.
Um corpo celeste é considerado um planeta quando, além de não ter luz própria, gira ao redor de uma estrela.
Os planetas têm forma aproximadamente esférica. Os seus movimentos principais são o de rotação e o de translação. Cada planeta possui um eixo de rotação em relação a Sol, o mais inclinado deles é oplaneta-anão Plutão, pois seu eixo de rotação em relação ao Sol é de 120º, olhe a figura.
Movimento de Rotação
No movimento de rotação, os planetas giram em torno do seu próprio eixo, uma linha imaginária que passa pelo seu centro. O observador terrestre tem dificuldade de perceber o movimento de rotação da Terra. Para isso deve-se notar que o Sol, do amanhecer ao anoitecer, parece se mover da região leste em sentido oeste. O mesmo acontece, à noite, com a Lua, as estrelas e demais astros que vemos no céu.
O movimento de rotação da Terra dura, aproximadamente 24horas - o que corresponde a um dia. A Terra, por ser esférica, não é iluminada toda de uma vez só. Conforme a Terra gira em torno do seu eixo, os raios de luz solar incidem sobre uma parte do planeta e a outra fica à sombra.
O ciclo do dia e da noite ocorrem graças a rotação. Enquanto o planeta está girando sobre seu próprio eixo é dia nas regiões que estão iluminadas pelo Sol (período claro) e, simultaneamente, é noite nas regiões não iluminadas (período escuro).
Movimento de Translação
O movimento de translação é executado pelos planetas ao redor do Sol, e o tempo que levam para dar uma volta completa é denominado período orbital. No caso da Terra esse período leva cerca de 365 dias e aproximadamente 6 horas para se completar. A Terra, no seu movimento de translação, forma uma elipse pouco alongada (bem próxima a circular). Já o planeta Netuno traça a sua órbita elíptica de forma bastante alongada.
Em razão do movimento de translação e da posição de inclinação do eixo da Terra, cada hemisfério fica, alternadamente, mais exposto aos raios solares durante um período do ano. Isso resulta nas quatro estações do ano: verão, outono, inverno e primavera. Nos meses de dezembro a março, o Hemisfério Sul - localizado ao sul da linha do Equador - fica mais exposto ao Sol. É quando os raios solares incidem perpendicularmente sobre pelo menos alguns pontos do Hemisfério Sul. É verão nesse hemisfério. Depois de seis meses, nos meses de junho a setembro, a Terra já percorreu metade da sua órbita. O Hemisfério Norte - localizado ao norte da linha do Equador - fica mais exposto ao Sol e, assim, os raios solares incidem perpendicularmente sobre pelo menos alguns pontos do Hemisfério Norte. É verão no Hemisfério Norte.
Enquanto é verão no Hemisfério Norte com os dias mais longos e as noites mais curtos, é inverno no Hemisfério Sul, onde os dias tornam-se mais curtos e as noites mais longas. E vice-e-versa.
Em dois períodos do ano (de março a junho e de setembro a dezembro) ha posições da Terra, na sua órbita, em que os dois hemisférios são iluminados igualmente. É quando ocorrem, de forma alternada nos dois hemisférios, as estações climáticas primavera e outono.
As estações do ano são invertidas entre os hemisférios Sul e Norte. Por isso é possível, numa mesma época do ano, por exemplo, pessoas aproveitarem o verão numa praia no Hemisfério Sul, enquanto outras se agasalharem por causa de uma nevasca de inverno no Hemisfério Norte.
Nas regiões perto da linha do Equador, tanto em um hemisfério quanto no outro, ocorre constantemente a incidência dos raios do Sol, faz calor durante todo o ano. Há apenas a estação das chuvas e a estação da seca.
Em virtude da "curvatura da Terra" e da inclinação do eixo de rotação da Terra em relação ao seu plano de órbita, os pólos recebem raios de Sol bastante inclinados. Por um longo período do ano, os raios solares não chegam aos pólos; por isso essas são regiões muito frias.
Para os moradores dessas regiões, só há duas estações climáticas:
O Ar
Muitas são as situações do nosso dia-a-dia em que percebemos a presença de ar. Quando sentimos a brisa suave no nosso rosto, quando o vento sopra forte balançando os galhos das árvores, quando respiramos e sentimos o ar entrando e saindo dos nosso pulmões, estamos percebendo a presença do ar.
Não podemos ver o ar nem tocá-lo. Ele é invisível, incolor (não tem cor) e inodoro (não tem cheiro).Mas existe, tem peso e ocupa espaço.
De que é feito o ar?
A matéria pode se apresentar na natureza no estado sólido, líquido e gasoso. O ar se apresenta no estado gasoso, é uma mistura de gases. O gás de maior quantidade é o gás nitrogênio ou azoto, que forma cerca de 78% do ar. Isso quer dizer que, em 100 litros de ar, há 78 litros de nitrogênio. Depois vem ooxigênio com cerca de 21%. O 1% restante inclui argônio, o gás carbônico e outros gases. Esta é a proporção de gases no ar seco. Mas normalmente, há também vapor de água (em quantidade variável) e poeira. Certos gases vindos das indústrias ou de outras fontes podem também estar presentes.
Gás Oxigênio e a Combustão
O gás oxigênio é um gás de importância fundamental para os processos vitais do nosso planeta, utilizado na respiração da maioria dos seres vivos. As algas e as plantas também absorvem oxigênio na respiração, mas, pela fotossíntese, liberam esse gás, possibilitando a sua renovação contínua no ambiente.
A maior parte do oxigênio inspirado é utilizado pelos seres vivos na produção de energia que mantém seus sistemas vitais.
Agora veja a figura.
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Se emborcamos um copo sobre uma vela acesa, a chama se apaga. A vela se apaga porque o oxigênio dentro do copo foi gasto durante a queima da vela. O oxigênio é, portanto necessário para a queima da vela. Aliás, ele é necessário para a queima de outros materiais também. O processo de queima é chamadocombustão. Em 1783, o químico francês Antoine Lavoisies (1743-1794) explicou esses fenômenos: na combustão ocorre a combinação do oxigênio com outras substâncias, liberando grande quantidade de calor em curto espaço de tempo. |
Quando o motor do carro funciona, por exemplo, a gasolina combina-se com o oxigênio do ar. A gasolina ou a outra substância que está sendo queimada é chamada de combustível, e o oxigênio é chamado decomburente. Comburente é, portanto, a substância que provoca a combustão.
No caso da vela acesa, o comburente é o oxigênio do ar. O combustível é a parafina da vela. Mas, para começar a combustão, é preciso aquecer o combustível. No caso da vela, acendemos o pavio com um fósforo. O calor da chama do pavio aquece a parafina que se combina com o oxigênio e é queimado.
A combustão libera energia química que está armazenada no combustível. Essa energia aparece sob a forma de calor e luz. Com a energia da combustão o ser humano movimenta veículos a gasolina, a gás, a óleo diesel ou a álcool, e cozinha alimentos no fogão. Essa energia pode ser liberada também em usinas termelétricas, que transformam energia de combustíveis, como o carvão e o petróleo em energia elétrica.
Depois que a vela se queima, sobra um pouco de parafina. Mas a quantidade que sobra é bem menor. Para aonde foi então a parafina que falta?
A combustão transforma o combustível, que no caso é a parafina, em vapor de água e gás carbônico. Ocorre aqui o que se chama de transformação química ou reação química. As substâncias presentes na parafina transformam-se em outras substâncias: o gás carbônico e a água.
O oxigênio e a respiração celular
Um animal mantido em um recipiente fechado morre logo - mesmo que haja comida suficiente. Por quê?
Quase todos os seres vivos empregam o oxigênio num processo que libera energia para as suas atividades. Sem oxigênio, a maiorias dos seres vivos não consegue energia suficiente para se manter vivo. Esse processo é chamado de respiração celular.
Vamos ver como ele ocorre:
O processo que envolve a entrada de oxigênio em nossos pulmões e a saída de gás carbônico é chamado de respiração pulmonar. Dos pulmões o ar entra e, pela corrente sanguínea, é levado para dentro de estruturas microscópicas que formam o nosso corpo, as células. Nas células ocorre a respiração celular, onde o oxigênio combina-se com substâncias químicas do alimento (principalmente com o açúcar, a glicose) e libera energia. Além disso, produz-se também gás carbônico e água.
Veja um resumo da respiração celular:
glicose + oxigênio -------> gás carbônico + água
A diferença entre respiração celular e combustão
Tanto na respiração celular quanto na combustão da maioria das substâncias, ocorre a produção de gás carbônico e vapor de água. Mas a respiração é um processo mais complicado e demorado do que a combustão: a respiração ocorre em etapas. A glicose, por exemplo, é transformada em uma série de substâncias até virar gás carbônico e água.
Se a respiração ocorresse da mesma forma que a combustão, a energia seria liberada muito rapidamente, e o calor faria a temperatura do organismo aumentar tanto que provocaria a morte. Em vez disso, na respiração a energia é liberada aos poucos, sem a temperatura da célula aumentar muito.
Gás carbônico
Sabe do que são formadas aquelas bolhas que aparecem nos refrigerantes? De gás carbônico. E são também de gás carbônico as bolhas que se desprendem em comprimidos efervescentes.
O gás carbônico compõe apenas 0,03% do ar. Ele aparece na atmosfera como resultado da respiração dos seres vivos e da combustão. É a partir do gás carbônico e da água que as plantas produzem açucares no processo da fotossíntese.
A partir dos açucares, as plantas produzem outras substâncias - como as proteínas e as gorduras - que formam o seu corpo e que vão participar também da formação do corpo dos animais.
Agora veja na figura como o carbono circula pela natureza: a respiração, a decomposição (que é a respiração feita pelas bactérias e fungos) e a combustão liberam gás carbônico no ambiente. Esse gás carbônico é retirado da atmosfera pelas plantas durante a fotossíntese.
Como outros gases, o gás carbônico pode passar para o estado líquido ou para o estado sólido se baixarmos suficientemente sua temperatura (a quase 80ºC negativos). O gás carbônico sólido é conhecido como gelo-seco e é usado na refrigeração de vários alimentos.
O Nitrogênio
É o gás presente em maior quantidade no ar. Essa substância é fundamental para a vida na Terra, pois faz parte da composição das proteínas, que são moléculas presentes em todos os organismos vivos.
O nitrogênio é um gás que dificilmente se combina com outros elementos ou substâncias. Assim, ele entra e sai de nosso corpo durante a respiração (e também do corpo dos outros animais e plantas) sem alterações. Assim, os animais não conseguem obter o nitrogênio diretamente do ar, somente algumas bactérias são capazes de utilizar diretamente o nitrogênio, transformando-o em sais que são absorvidos pelas plantas. Os animais obtêm o nitrogênio somente por meio dos alimentos.
Essa transformação é feita por bactérias que vivem na raiz das plantas conhecidas como leguminosas(feijão, soja, ervilha, alfafa, amendoim, lentilha, grão-de-bico). É por isso que essas plantas não tornam o solo pobre em nitratos, como costuma ocorrer quando outras espécies vegetais são cultivadas por muito tempo no mesmo lugar.
Com sais de nitrogênio, as plantas fabricam outras substâncias que formam seu corpo. Os animais, por sua vez, conseguem essas substâncias ingerindo as plantas ou outros seres vivos. Quando os animais e as plantas morrem, essas substâncias que contêm nitrogênio sofrem decomposição e são transformadas em sais de nitrogênio, que podem ser usadas pelas plantas. Uma parte dos sais de nitrogênio, porém, é transformada em gás nitrogênio por algumas bactérias do solo e voltam para a atmosfera. Desse modo o nitrogênio é reciclado na natureza.
Saiba mais sobre o ciclo do nitogênio.
O nitrogênio e os Fertilizantes
A produção de sais de nitrogênio pode ser feita em indústrias químicas, a partir do nitrogênio do ar. Combina-se o nitrogênio com o hidrogênio, produzindo-se amoníaco, que é então usado para fabricar sais de nitrogênio.
O amoníaco tem ainda outras aplicações: ele é usado em certos produtos de limpeza e também para fabricar muitos outros compostos químicos.
A Água
A água no planeta
Cerca de 71% da superfície da Terra é coberta por água em estado líquido. Do total desse volume, 97,4% aproximadamente, está nos oceanos, em estado líquido.
A água dos oceanos é salgada: contém muito cloreto de sódio, além de outros sais minerais.
Mas a água em estado líquido também aparece nos rios, nos lagos e nas represas, infiltrada nos espaços do solo e das rochas, nas nuvens e nos seres vivos. Nesses casos ela apresenta uma concentração de sais geralmente inferior a água do mar. É chamada de água doce e corresponde a apenas cerca de 2,6% do total de água do planeta.
Cerca de 1,8% da água doce do planeta é encontrado em estado sólido, formando grandes massas de gelo nas regiões próximas dos pólos e no topo de montanhas muito elevadas. As águas subterrâneas correspondem á 0,96% da água doce, o restante está disponível em rios e lagos.
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Oceanos e mares - 97% Geleiras inacessíveis - 2% Rios, lagos e fontes subterrâneas - 1% |
A presença de água nos seres vivos
Um dos fatores que possibilitaram o surgimento e a manutenção da vida na Terra é a existência da água. Ela é um dos principais componentes da biosfera e cobre a maior parte da superfície do planeta.
Na Biosfera, existem diversos ecossistemas, ou seja, diversos ambientes na Terra que são habitados por seres vivos das mais variadas formas e tamanhos. Às vezes, nos esquecemos que todos esses seres vivos têm em comum a água presente na sua composição. Veja alguns exemplos.
Água-viva Melância
A água-viva chega a ter 95% de água na composição do seu corpo. A melancia e o pepino chegam a ter 96% de água na sua composição.
Portanto a água não está presente apenas nas plantas; ela também faz parte do corpo de muitos animais.
É fácil comprovar que o nosso corpo, por exemplo, contém água. Bebemos água várias vezes ao dia, ingerimos muitos alimentos que contém água e expelimos do nosso corpo vários tipos de líquidos que possuem água, por exemplo, suor, urina, lágrimas, etc.
O que é a água?
A água é uma das substâncias mais comuns em nosso planeta. Toda a matéria (ou a substância) na natureza é feita por partículas muito pequenas, invisíveis a olho nu, os átomos.
Cada tipo de átomo pertence a um determinado elemento químico. Os átomos de oxigênio, hidrogênio, carbono e cloro são alguns exemplos de elementos químicos que formam as mais diversas substâncias, como a água, o gás carbônico, etc.
Os grupos de átomos unidos entre si formam moléculas. Cada molécula de água, por exemplo, é formada por dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio. A molécula de água é representada pela fórmula química H2O. Em cada 1 g de água há cerca de 30 000 000 000 000 000 000 000 (leia: "trinta sextilhões") de moléculas de água.
Representação da molécula de água com os dois átomos de hidrogânio e um de oxigênio. As cores são meramente ilustrativas e o tamanho não segue as proporções reais.
Estados físicos da matéria
Quando nos referimos à água, a ideia que nos vem de imediato à mente é a de um líquido fresco e incolor. Quando nos referimos ao ferro, imaginamos um sólido duro. Já o ar nos remete à ideia de matéria no estado gasoso.
Toda matéria que existe na natureza se apresenta em uma dessas formas - sólida, líquida ou gasosa. É o que chamamos de estados físicos da matéria.
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No estado sólido, as moléculas de água estão bem "presas" umas às outras e se movem muito pouco: elas ficam "balançando", vibrando, mas sem se afastarem muito umas das outras. Não é fácil variar a forma e o volume de um objeto sólido, como a madeira de uma porta ou o plástico de que é feito uma caneta, por exemplo.
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O estado líquido é intermediário entre o sólido e o gasoso. Nele, as moléculas estão mais soltas e se movimentam mais que no estado sólido. Os corpos no estado líquido não mantém uma forma definida, mas adotam a forma do recipiente que os contém, pois as moléculas deslizam umas sobre as outras. Na superfície plana e horizontal, a matéria, quando em estado líquido, também se mantém na forma plana e horizontal.
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No estado gasoso a matéria está muito expandida e, muitas vezes, não podemos percebê-la visualmente. Os corpos no estado gasoso não possuem volume nem forma próprios e também adotam a forma do recipiente que os contém. No estado gasoso, as moléculas se movem mais livremente que no estado líquido, estão muito mais distantes umas das outras que no estado sólido ou líquido, e se movimentam em todas as direções. Frequentemente há colisões entre elas, que se chocam também com a parede do recipiente em que estão. É como se fossem abelhas presas em uma caixa, e voando em todas as direções.
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Em resumo: no estado sólido as moléculas de água vibram em posições fixas. No estado líquido, as moléculas vibram mais do que no estado sólido, mas dependente da temperatura do líquido (quanto mais quente, maior a vibração, até se desprenderem, passando para o estado gasoso, em um fenômeno conhecido como ebulição). Consequentemente, no estado gasoso (vapor) as moléculas vibram fortemente e de forma desordenada.
