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  • Carlos Fiolhais Centro de Fsica Computacional e Departamento de Fsica de Universidade de Coimbra

    Victor Gil

    Exploratrio Infante D. Henrique e Departamento de Qumica da Universidade de Coimbra

    Jos Carlos Teixeira Departamento de Matemtica da Universidade de Coimbra

    Jorge Alberto Trindade

    Escola Superior de Tecnologia e Gesto do Instituto Politcnico da Guarda

    Projecto financiado pelo Ministrio da Cincia e Tecnologia PRAXIS/P/FIS/14188

    Coimbra, Fevereiro de 2002

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    ndice 1. O que gua Virtual? ........................................................................................................ 4

    2. Caracterizao do cenrio de Boas Vindas ..................................................................... 6

    3. Caracterizao do cenrio de dinmica molecular ............................................................. 8

    3.1 Fases gasosa e lquida e transies de fase ...................................................................... 8

    3.2 Simulao da dinmica molecular .................................................................................. 11

    3.3 Agregados moleculares .................................................................................................. 11

    3.4 Fase slida ...................................................................................................................... 11

    4. Caracterizao do cenrio de orbitais ............................................................................... 14

    4.1 Orbitais atmicas ............................................................................................................ 14

    4.2 Orbitais moleculares ....................................................................................................... 15

    5. Requisitos Mnimos .......................................................................................................... 16

    5. Execuo do programa ..................................................................................................... 16

    6. Comandos de utilizao ................................................................................................... 16

    7. Utilizao do programa .................................................................................................... 17

    8. Crditos ............................................................................................................................ 17

  • 4

    1. O que gua Virtual?

    gua Virtual um programa de realidade virtual do tipo janela para o mundo

    (Window on World), de acordo com a classificao de sistemas de realidade virtual. Trata-se

    de um ambiente virtual para o estudo da Fsica e da Qumica, que abrange conceitos sobre

    fases, transies de fase, orbitais atmicas do hidrognio e orbitais moleculares, reunidos a

    propsito da gua. Neste software os cenrios so visualizados num ecr de computador,

    podendo ou no existir estereoscopia. Neste ltimo caso, recorre-se utilizao de culos

    especiais (ligados placa grfica do computador) que, em conjunto com o ecr de

    computador, permitem dar o efeito de relevo, isto , a sensao que os objectos do cenrio

    virtual ficam a pairar frente do utilizador, no espao entre ele e o ecr. A interaco do

    utilizador com o programa feita de modo convencional com o rato.

    O ambiente virtual constitudo por trs cenrios, de acordo com o organigrama

    apresentado na Figura 1.

  • 5

    HOMO orbital molecular ocupada de maior energia. LUMO orbital molecular desocupada de menor energia.

    Figura 1: Organigrama do programa gua Virtual.

    Boas Vindas

    Orbitais

    ...moleculares da gua

    - Densidade total - HOMO -3 - HOMO -2 - HOMO -1 - HOMO - LUMO

    - 1s - 2s - 2p - 3s - 3p - 3d

    ...atmicas do hidrognio

    Tra

    nsi

    es d

    e Fa

    se

    Din

    mic

    a M

    olec

    ular

    Fase Slida

    Fase Lquida

    Fase Gasosa

    Estruturas de Gelo

    Agregados Moleculares

    - Gelo normal (Ih) - Gelo XII

    - Dmero - Trmero - Hexmero

    Fases

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    Os cenrios que constituem o programa gua Virtual so:

    Boas Vindas. o primeiro ambiente que aparece e a sua finalidade consiste

    em familiarizar o utente com o modo de navegao.

    Dinmica molecular. Neste cenrio estudam-se as fases slida, lquida e gasosa

    da gua e das transies de fase. tambm possvel, na fase lquida, analisar a

    estrutura de alguns agregados moleculares (dmero, trmero e hexmero) e, na

    fase slida, estudar, para alm da estrutura normal do gelo, a estrutura do gelo

    XII.

    Orbitais. um cenrio para estudar orbitais moleculares da gua e orbitais

    atmicas do hidrognio.

    A Tabela 1 sintetiza as caractersticas dos vrios cenrios de gua Virtual no que

    respeita visualizao tridimensional dos modelos e de animaes, possibilidade de

    explorao do cenrio e escolha do referencial, e ainda formao ou separao de molculas

    de gua.

    Tabela 1: Caractersticas dos cenrios de gua Virtual.

    Caractersticas do cenrio

    Transies de Fase Fases

    Orbitais Gasosa

    Lquida

    Lquida

    Slida Gasosa Lquida Slida

    Modelos tridimensionais

    Navegao pelo cenrio

    Animaes: Dinmica molecular

    Formao ou quebra de

    ligaes

    2. Caracterizao do cenrio de Boas Vindas

    O objectivo deste cenrio ambientar o utilizador na navegao no espao

    tridimensional, usando o rato, e familiariz-lo com a utilizao dos culos estereoscpicos.

    Trata-se de um cenrio constitudo por um amplo espao verde que envolve uma casa

    (Figura 2a). No interior da casa, para alm de alguma informao sobre a gua (estrutura e

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    densidade total) em imagens colocadas nas paredes (Figura 2b), so tambm apresentados, em

    cima de uma mesa e no centro da casa, trs caixas cujas faces representam

    macroscopicamente cada uma das fases da gua (Figura 2c).

    atravs daquelas caixas de gua que feita a passagem para o cenrio de dinmica

    molecular. Assim, ao aproximar-se suficientemente do cubo que, por exemplo, mostra a fase

    gasosa, o utilizador transportado para a dinmica molecular nessa fase.

    a)

    b)

    c)

    Figura 2: Cenrio de Boas Vindas: a) Perspectiva exterior casa mostrando um amplo espao verde; b) Vrias representaes da molcula de gua nas paredes da casa; c) Interior da casa mostrando as caixas contendo gua nas trs fases: slida (cubo da esquerda), lquida (cubo ao centro) e gasosa (cubo da direita). A visualizao microscpica daquelas fases faz-se por aproximao a cada um dos cubos.

  • 8

    3. Caracterizao do cenrio de dinmica molecular

    O cenrio da dinmica molecular contempla o estudo da geometria das molculas de

    gua, da dinmica molecular das fases gasosa e lquida, a fase slida e as transies de fase.

    Em qualquer caso, possvel navegar pelo cenrio e visualizar o contedo da caixa a partir de

    qualquer referencial.

    3.1 Fases gasosa e lquida e transies de fase

    Variando as condies de presso e/ou temperatura no interior do cubo v-se ao

    comportamento dinmico da gua nas vrias fases e transies de fase (Figura 3).

    Figura 3: Diagrama de fases da gua. Cada linha a cheio que separa duas fases representa as condies de presso e temperatura s quais as duas fases podem coexistir em equilbrio. O ponto no qual as trs fases podem existir em equilbrio (0,006 atm e 0,01 C) chama-se ponto triplo.

    Para as fases gasosa (Figura 4a) e lquida (Figura 4b) surgem animaes

    tridimensionais da dinmica molecular, correspondentes a condies de presso e de

    temperatura daquelas fases. As transies de fase obtm-se por mudana da presso e/ou

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    temperatura. Em qualquer uma das transies possvel observar a formao ou dissociao

    de ligaes por pontes de hidrognio entre molculas de gua (Figura 5).

    a)

    b)

    Figura 4: Fases da gua: a) Fase gasosa temperatura de 100 C: h movimento desorganizado das molculas com grande mobilidade; b) Fase lquida obtida por diminuio da temperatura: formam-se ligaes, h menor mobilidade das molculas e a densidade aumenta.

  • 10

    a)

    b)

    Figura 5: Transies de fase por variao de temperatura presso constante: a) Transio gs lquido: os fenmenos mais importantes so a diminuio da mobilidade das molculas, a formao de ligaes intermoleculares por pontes de hidrognio, o aumento da densidade e o agrupamento de molculas; b) Transio lquido slido: agora h perda de mobilidade dos agregados moleculares e formao de novas ligaes de modo a emergir a estrutura do gelo.

  • 11

    3.2 Simulao da dinmica molecular

    A simulao da dinmica da gua baseia-se no mtodo da Dinmica Molecular. Esta

    consiste na resoluo no computador das equaes de Newton para cada uma das molculas

    de um sistema, a partir das posies e das velocidades iniciais de todas as molculas e da

    fora que actua em cada molcula num determinado instante. Para simplificar os clculos

    consideraram-se as molculas de gua esfericamente simtricas e quimicamente inertes.

    3.3 Agregados moleculares

    Os agregados moleculares da gua (conjuntos de molculas) integram a gua na fase

    lquida. No programa gua Virtual possvel, na fase lquida, ver e estudar em separado

    alguns agregados moleculares da gua como o dmero (Figura 6a), o trmero (Figura 6b) e o

    hexmero (Figura 6c). Note-se que estes agregados so apenas alguns exemplos da enorme

    variedade de configuraes que podem exis

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