Mudança de Fase
Mesmo recebendo calor, um corpo pode permanecer com a temperatura constante. É o que acontece com a água, por exemplo, enquanto está fervendo. Por isso, você já deve ter ouvido falar que quando a água começa a ferver, baixe o fogo. O que está acontecendo na verdade é que o calor fornecido para a água está sendo utilizado para separar as partículas, ou seja, diminuir a energia potencial existente entre suas moléculas. No caso do calor sensível, estudado no item anterior, a energia fornecida a matéria aumentava a energia cinética de suas moléculas, aumentando assim a sua temperatura. A quantidade de calor por unidade de massa necessária para a mudança de fase é uma característica da substância e da mudança correspondente e é chamada de Calor Latente (L). Matematicamente:
A unidade de medida do calo Latente é cal/g. Na verdade, o que se define é um calor latente específico, uma vez que se refere à massa de 1g. Entretanto, já está consagrado pelo uso falar-se apenas em calor latente, omitindo-se o termo específico.
São três os estados básicos de agregação (também conhecidos como fases) da matéria: Sólido, Líquido e Gasoso.
O estado sólido tem forma e volume bem definidos. Sendo uma substância pura, suas partículas estão organizadas em redes cristalinas (também conhecidos como retículo cristalino). Uma mesma substância pura pode se organizar de diferentes maneiras, formando assim, compostos diferentes. Quando isso acontece, dizemos que as diferentes redes cristalinas são variedades alotrópicas. Um exemplo clássico disso são as formas alotrópicas do Carbono: Grafite, Diamante e Fulereno:
A fase líquida é amorfa (sem forma definida) e tem volume constante. Não existe rede cristalina, pois a força de coesão entre as moléculas é menor que na fase sólida. Já a fase gasosa não tem nem forma nem volume definido. Um gás ocupa todo o volume que lhe for oferecido. Isso acontece porque a distância média entre as moléculas na fase gasosa é muito maior que na fase líquida, logo as forças de coesão são ainda menores. Mais a frente falaremos sobre a diferença entre vapores e gases. A figura a seguir ilustra o processo de mudança de fase (tempo x temperatura):
Figura 1: Estados físicos da matéria e suas
transformações.
Exercícios resolvidos:
01. Um pedaço de 200g de um determinado metal (calor específico 0,1 cal/g°C) a 200 °C é colocado em 100 g de água, de calor específico 1 cal/g°C, a 10°C. Determine a temperatura de equilíbrio.
Resolução:
Considerando o sistema metal-água isolado, o calor cedido pelo metal é absorvido pela água. Assim:
02. (Fuvest-SP) Em um copo grande, termicamente isolado, contendo água à temperatura ambiente (25 °C), são
colocados 2 cubos de gelo a 0 °C. A temperatura da água passa a ser, aproximadamente, de 1 °C. Nas mesmas condições se, em vez de 2, fossem colocados 4 cubos de gelo iguais aos anteriores, ao ser atingido o equilíbrio, haveria no copo:
a) apenas água acima de 0 °C b) apenas água a 0 °C
c) gelo a 0 °C e água acima de 0 °C d) gelo e água a 0 °C
e) apenas gelo a 0 °C
Resolução:
Alternativa d. Se dois cubos de gelo são capazes de reduzir a temperatura de 24 °C, levando a temperatura do conjunto a 1 °C, outros dois cubos de gelo irão tirar o calor restante da água levando o sistema a 0 °C, onde teremos gelo e água.
Os diagramas de Fase
A fase de determinada substância depende da temperatura e pressão na qual ela se encontra. Dependendo dessas duas condições e da substância, é possível encontrar juntas duas ou até as três fases de agregação. Na figura 4 é apresentado a diagrama de fases do Gás Carbônico (CO2) e da água (H2O):
Figura 3: Curva de Aquecimento de uma substância pura qualquer.
O ponto triplo, é uma configuração de equilíbrio das três fases sólida, líquida e gasosa. Para á água o ponto triplo ocorre quando a pressão é igual a 4,58 mmHg e Temperatura de 0,01°C. Já para o Dióxido de Carbono, a pressão deve ser 5 atm e a temperatura de -56,6°C.
Sobrefusão
No resfriamento de um líquido, pode ocorrer um fenômeno chamado Sobrefusão, no qual o líquido fica numa temperatura abaixo do ponto de congelamento, mas não muda de fase. Trata-se de um estado instável, pois pequenas perturbações causam o congelamento parcial ou total do líquido. Quando o sistema é perturbado, a temperatura do mesmo se eleva até a temperatura de fusão congela uma certa quantidade do líquido e volta a baixar a temperatura (a solidificação é um processo exotérmico).
Exercícios de Fixação
01. (UFU-MG) Utilizando-se uma fonte de fornecimento contínuo de calor, aquece-se, à pressão constante de 1 atm, 100 g de gelo, que são transformados em vapor superaquecido. A figura seguinte ilustra a variação da temperatura do sistema com o tempo.
a) Em que intervalo de tempo ocorre a fusão? b) Em que intervalo de tempo ocorre a vaporização?
c) Considerando o calor específico do gelo igual a 0,55 cal/g °C e o calor latente de fusão igual a 80 cal/g, qual é a quantidade de calor absorvida pelo sistema, do instante inicial ao instante t2?
Usando esse forno sempre na potência máxima, o tempo necessário para a água entrar em ebulição é: a) 45 s
b) 90 s c) 180 s d) 360 s
02. (ENEM) A panela de pressão permite que os alimentos sejam cozidos em água muito mais rapidamente do que
em panelas convencionais. Sua tampa possui uma borracha de vedação que não deixa o vapor escapar, a não ser
Figura 4: Diagrama da fases do CO2 e
H2O
T – ponto Triplo 1 – curva de fusão 2- curva de vaporização 3- curva de sublimação
através de um orifício central sobre o qual assenta um peso que controla a pressão. Quando em uso, desenvolve-se uma pressão elevada no seu interior. Para a sua operação segura, é necessário observar a limpeza do orifício central e a existência de uma válvula de segurança, normalmente situada na tampa. O esquema da panela de pressão e um diagrama de fase da água são apresentados abaixo.
A vantagem do uso de panela de pressão é a rapidez para o cozimento de alimentos e isto se deve: a) à pressão no seu interior, que é igual à pressão externa
b) à temperatura de seu interior, que está acima da temperatura de ebulição da água no local c) à quantidade de calor adicional que é transferida à panela
d) à quantidade de vapor que está sendo liberada pela válvula e) à espessura da sua parede, que é maior que a das panelas comuns
03. Uma pedra de gelo a 0°C é colocada em 200 g de água a 30°C, num recipiente de capacidade térmica desprezível e isolado termicamente. O equilíbrio térmico se estabelece em 20°C. Qual a massa da pedra de gelo?
(Dados: calor específico da água c= 1 cal/g°C; calor latente de fusão do gelo L = 80 cal/g.)
04. (ITA-SP) Um vaporizador contínuo possui um bico pelo qual entra água a 20 °C, de tal maneira que o nível de água no vaporizador permanece constante. O vaporizador utiliza 800 W de potência, consumida no aquecimento da água até 100 °C e na sua vaporização a 100 °C. A vazão de água pelo bico é: Dados: Lv = 540 cal/g; 1 cal = 4,2 J; dágua 1 g/cm3. a) 0,31 mL/s b) 0,35 mL/s c) 2,4 mL/s d) 3,1 mL/s e) 3,5 mL/s
05. (UFGO) Uma nuvem eletrizada se descarrega através de um pára-raio de cobre. O fenômeno dura 10_4
segundos e funde cerca de 500 g de cobre, inicialmente a 30 °C.
a) Considerando a temperatura de fusão do cobre igual a 1 100 °C, o calor específico médio do cobre igual a 0,080 cal/g °C, o calor latente de fusão igual a 43 cal/g e que 1 cal _ 4,2 J, qual a energia em joules desprendida para aquecer e fundir esta massa de cobre?
b) Qual a potência média da descarga?
c) Quantas lâmpadas de 100 W poderiam ser acendidas, com luminosidade total, com esta energia desprendida?
06. (Unifor-CE) Uma substância no estado líquido é resfriada uniforme e constantemente. Ao atingir a temperatura de solidificação, verifica-se a formação de pequenas partículas sólidas que flutuam no líquido. Sobre essa substância é correto afirmar que:
a) aumenta de volume ao se solidificar b) diminui de volume ao se solidificar.
c) tem maior densidade no estado sólido que no estado líquido d) se solidifica mais rapidamente se aumentar a pressão
e) a parte que se solidifica apresenta temperatura maior que a parte líquida. 07. (UFF-RJ) Marque a opção que apresenta a afirmativa falsa:
a) uma substância não existe na fase líquida quando submetida a pressões abaixo daquela de seu ponto triplo. b) A sublimação de uma substância é possível se esta estiver submetida a pressões baixas que a de seu ponto triplo. c) Uma substância só pode existir na fase líquida se a temperatura a que estiver submetida for mais elevada que sua temperatura crítica.
d) Uma substância não sofre condensação a temperaturas mais elevadas que sua temperatura crítica. e) Na Lua, um bloco de gelo pode passar diretamente para a fase gasosa.
08. (UFPR) Pode-se atravessar uma barra de gelo usando-se um arame com um peso adequado, conforme a figura, sem que a barra fique dividida em duas partes.
Qual é a explicação para tal fenômeno?
a) A pressão exercida pelo arame sobre o gelo abaixa seu ponto de fusão.
b) O gelo, já cortado pelo arame, devido à baixa temperatura se solidifica novamente.
c) A pressão exercida pelo arame pelo gelo aumenta seu ponto de fusão, mantendo a barra sempre sólida.
d) O arame, estando naturalmente mais aquecido, funde o gelo; este calor, uma vez perdido para a atmosfera, deixa a barra novamente sólida.
e) Há uma ligeira flexão da barra e as duas partes, já cortadas pelo arame, são comprimidas uma contra a outra, soldando-se.
09. (Fuvest-SP) Nos dias frios, quando uma pessoa expele ar pela boca, forma-se uma espécie de fumaça junto ao rosto. Isso ocorre porque a pessoa:
a) expele o ar quente que condensa o vapor d’água existente na atmosfera.
b) expele o ar quente e úmido que se esfria, ocorrendo a condensação dos vapores expelidos. c) expele o ar frio que provoca a condensação do vapor d’água na atmosfera
d) provoca a liquefação do ar, com seu calor.
e) provoca a evaporação da água existente na atmosfera.
10. (Enem-MEC) Ainda hoje, é muito comum as pessoas utilizarem vasilhames de barro ( moringas ou potes de cerâmica não esmaltada) para conservar água a uma temperatura menor do que a do ambiente. Isso ocorre porque: a) o barro isola a água do ambiente, mantendo-a sempre a uma temperatura menor que a dele, como se fosse isopor.
b) o barro tem poder de “gelar” a água pela sua composição química. Na reação, a água perde calor.
c) o barro é poroso, permitindo que a água passe através dele. Parte dessa água evapora, tomando calor da moringa e do restante da água, que são assim resfriadas.
d) o barro é poroso, permitindo que a água se deposite na parte de fora da moringa. A água de fora sempre está a uma temperatura maior que a de dentro.
e) a moringa é uma espécie de geladeira natural, liberando substâncias higroscópicas que diminuem naturalmente a temperatura da água.
11. (Enem-MEC) O Sol participa do ciclo da água, pois além de aquecer a superfície da Terra dando origem aos ventos, provoca a evaporação da água dos rios, lagos e mares. O vapor da água, ao se resfriar, condensa em minúsculas gotinhas , que se agrupam formando as nuvens, neblinas ou névoas úmidas. As nuvens podem ser levadas pelos ventos de uma região para outra. Com a condensação e, em seguida, a chuva, a água volta a superfície da Terra, caindo sobre solo, rios, lagos e mares. Parte dessa água evapora retornando à atmosfera, outra parte escoa superficialmente ou infiltra-se no solo, indo alimentar rios e lagos. Esse processo é chamado de ciclo da água.
Considere, então, as seguintes afirmativas:
I – a evaporação é maior nos continentes, uma vez que o aquecimento ali é maior do que nos oceanos. II – a vegetação participa do ciclo hidrológico por meio da transpiração.
III – o ciclo hidrológico condiciona processos que ocorrem na litosfera, na atmosfera e na biosfera. IV – a energia gravitacional movimenta a água dentro do seu ciclo.
Assinale a alternativa correta.
a) Somente a afirmativa III está correta. b) Somente as afirmativas III e IV estão corretas. c) Somente as afirmativas I, II e V estão corretas. d) Somente as afirmativas II, III, IV e V estão corretas. e) Todas as afirmativas estão corretas.
12. (Enem-MEC) Se, por economia, abaixarmos o fogo sob uma panela de pressão logo que se inicia a saída de vapor pela válvula, de forma simplesmente a manter a fervura, o tempo de cozimento:
a) será maior porque a panela “esfria”. b) será menor, pois diminui a perda de água. c) será maior, pois a pressão diminui. d) será maior, pois a evaporação diminui.
e) não será alterado, pois a temperatura não varia.
13. Considere 1kg de gelo a 0°C e uma massa x de vapor de água a 100 °C, colocados em um recipiente de capacidade térmica desprezível. A temperatura final de equilíbrio térmica é 0°C, e o sistema está totalmente no estado líquido. Qual o valor de x em quilogramas?
Dados: Calor específico latente de vaporização da água = 540 cal/g; calor específico latente de fusão do gelo = 80 cal/g; calor específico sensível da água = 1,0 cal/g°C.
14. (Univest-SP) Deseja-se obter 800 gramas de água a 64°C. Para isso, misturam-se m1 gramas de gelo a 0°C com m2 gramas de vapor de água a 100 °C no interior de um calorímetro perfeitamente adiabático e de capacidade térmica desprezível. Quais os valores de m1 e m2?
Dados: Calor específico latente de vaporização da água = 540 cal/g; calor específico latente de fusão do gelo = 80 cal/g; calor específico sensível da água = 1,0 cal/g°C.
15. (UEL-PR) U calorímetro de capacidade térmica 50 cal/g°C contém 50 g de gelo e 200 g de água em equilíbrio térmico, sob pressão normal. Se introduzirmos 50 g de vapor de água a 100 °C no calorímetro, qual será a temperatura final de equilíbrio térmico?
Dados: Calor específico latente de vaporização da água = 540 cal/g; calor específico latente de fusão do gelo = 80 cal/g; calor específico sensível da água = 1,0 cal/g°C.
16. A que temperatura encontram-se 100 g de água em sobrefusão, se a solidificação brusca de um quinto dessa água eleva a temperatura do sistema ao ponto de solidificação?
Dados: calor específico latente de fusão do gelo = 80 cal/g; calor específico sensível da água = 1,0 cal/g°C.
17. Para o fósforo, a temperatura de fusão é 44°C; o calor específico no estado líquido, 0,2 cal/g°C; e o calor latente de fusão, 5 cal/g. Certa massa de fósforo é mantida em sobrefusão a 30°C. Em certo instante, verifica-se uma solidificação brusca. Que fração do total de massa do fósforo se solidifica?
18. (UFPE/UFRPE) Um pedaço de alumínio com 500 g a 295°C é colocado em um vaso contendo 1 L de água a 20°C. Supondo que o sistema não troca calor com o ambiente. Calcule a temperatura, em °C, do sistema alumínio-água após ser atingido o equilíbrio térmico. (cAL = 0,2 cal/g°C).
19. (UFPE/UFRPE) Em um calorímetro de capacidade térmica desprezível, são colocadas 50 g de gelo a 0°C e 40 g de água a 80°C. Após o sistema atingir o equilíbrio térmico, qual a massa total de água, em g, em estado líquido, dentro do calorímetro?
20. (UFPE/UFRPE) Qual é a razão entre a massa de água a 20°C e a massa de gelo a 0°C que devem ser misturadas para que a situação de equilíbrio final corresponda apenas a água a 0°C?
21. (UFPE/UFRPE) O calor específico do Alumínio é cAL = 0,22 cal/g°C, e são necessárias 77 cal para se fundir 1,0 g de alumínio a uma temperatura de 659°C. Determine, em unidades de 10³ cal, a quantidade de calor necessária para fundir completamente uma peça de 100 g de Alumínio, a partir de uma temperatura inicial de 9,0°C.
22. (ITA-SP) Um termômetro em uma sala 8,0 m x 5,0 m x 4,0 m indica 22°C e um higrômetro indica que a umidade relativa é de 40%. Qual é a massa de vapor de água na sala, se sabemos que a essa temperatura o ar saturado contém 19,33g de água por metro cúbico?
Gabarito:
01. (a) t2-t1 (b) t4 – t3 (c) 10200 cal 02. B 03. 20 g 04. A 05. (a) 270 kJ (b) 2,7 GW (c) 27 milhões 06. A 07. C 08. A 09. B 10. C 11. D 12. E 13. 0,125 kg 14. 640g e 160g 15. 80°C 16. -16°C 17. 0,56 18. 45 19. 80 20. 04 21. 22 22. 1,24kg
