Mudanças de Estado Físico

Mudanças de Estado Físico

Tipos de Mudanças

Quando uma substância passa do estado sólido para o estado líquido, essa transformação chama-se fusão. A transformação inversa (de líquido para sólido) chama solidificação. A passagem do estado líquido para o gasoso chama-se vaporização; a transformação inversa é chamada condensação.


(Fig. 1)

Sob certas condições é possível a transformação direta do estado sólido para o estado gasoso e essa transformação chama-se sublimação. Como exemplo podemos citar o caso da naftalina. Bolas de naftalina são colocadas dentro de armários para matar insetos. A naftalina passa diretamente do estado sólido para o estado gasoso e são esses gases que matam os insetos.

Outro exemplo é o chamado gelo seco (Fig.2), usado para produzir "fumaça" em espetáculos teatrais.


(Fig. 2)

Na realidade trata-se de dióxido de carbono no estado sólido que passa diretamente para o estado gasoso.

Tipos de Vaporização

Há dois tipos de vaporização: evaporação e ebulição.

A evaporação ocorre de forma lenta e pode acontecer em qualquer temperatura. É o que acontece, por exemplo, quando a dona de casa coloca as roupas ou as louças para secar: lentamente a água passa para o estado gasoso.

A ebulição é a passagem turbulenta do estado líquido para o gasoso. É o que acontece, por exemplo, quando a água ferve. A ebulição acontece em uma temperatura determinada que depende da pressão externa. Por exemplo no caso da água, quando a pressão externa é 1 atmosfera, a ebulição acontece a 100° C.

Temperaturas de Fusão e Ebulição

Para cada substância, a fusão e a ebulição ocorrem em temperaturas determinadas que dependem da pressão. Na tabela a seguir fornecemos essas temperaturas para algumas substâncias, sob pressão de 1 atmosfera.

TABELA 1 - temperaturas de fusão e ebulição para algumas substâncias

SUBSTÂNCIA

TEMPERATURA DE FUSÃO E SOLIDIFICAÇÃO (°C)

TEMPERATURA DE EBULIÇÃO E LIQUEFAÇÃO (°C)

Água

0

100

Álcool etílico

- 114

78,3

Éter etílico

- 116,3

34,6

Alumínio

658,7

2.300

Ferro

1.530

3.050

Cobre

1.083

2.360

Mercúrio

- 38,9

356,7

Ouro

1.063

2.800

Consideremos por exemplo um pedaço de gelo (água sólida) a 0 °C. Se fornecermos calor ao gelo ele vai se transformando em água líquida. Enquanto todo o gelo não estiver derretido a temperatura não varia.

Podemos imaginar a transformação inversa. Suponhamos que tenhamos água líquida a 0 °C. Se retirarmos calor dessa água ela começa a se transformar em gelo e durante essa transformação a temperatura fica constante. Portanto, a temperatura de fusão e a de solidificação são idênticas.

Suponhamos agora que tenhamos água líquida a 100 °C. Se fornecermos calor a essa água ela entra em ebulição e, durante a ebulição, a temperatura fica constante. Podemos ter a transformação inversa. Suponhamos que tenhamos vapor de água a 100 °C. Se retirarmos calor desse vapor, ele começa a transformar-se em líquido e, durante a transformação, a temperatura fica constante.

Calor de Transformação

Quando uma substância muda de estado de agregação, absorve (ou cede) uma quantidade de calor que é proporcional à massa (m). Assim podemos escrever:

Q = m L

onde L é uma constante chamada calor de transformação. Quando se trata da fusão (ou solidificação) a constante L é chamada de calor de fusão; quando se trata da ebulição (ou liquefação) a constante L chama-se calor de vaporização. A constante L é também chamada de calor latente (daí o símbolo L).

Da equação Q = mL tiramos:

Portanto a unidade de L pode ser

cal/g    ou   J/kg

Na tabela a seguir fornecemos os valores de L para algumas substâncias.

TABELA 2 - Calores latentes de algumas substâncias

Substância

Calor de fusão (cal/g)

Calor de vaporização (cal/g)

Água

80

540

Álcool etílico

25

204

Ouro

15

557

Prata

21

558

Cobre

32

1.210

Exemplo 1

Considere uma pedra de gelo de massa 100 gramas, inicialmente à temperatura de - 20 °C. Calcule a quantidade de calor necessária para transformar esse gelo em vapor d'água a 100 °C. São dados:

Resolução

Primeiramente calculamos a quantidade de calor (Q1) necessária para levar o gelo de - 20ºC a 0ºC. A variação de temperatura é

Assim

Q1 = (100) (0,50) (20)

Q1 = 1.000 calorias

Atingida a temperatura de 0 °C o gelo começa a derreter. A quantidade de calor (Q2) necessária para a fusão do gelo é:

Q2 = mLF

Q2 = (100) (80)

Q2 = 8.000 calorias

Depois que todo o gelo derreteu a água será aquecida até chegar a 100 °C, sofrendo uma variação de temperatura = 100ºC.

Q3 = m . cL . ()

Q3 = (100) (1) (100)

Q3 = 10.000 cal

Atingida a temperatura de 100ºC a água entra em ebulição

O calor necessário nessa fase é:

Q4 = mLv

Q4 = 100 (540)

Q4 = 54.000 cal

Depois que toda água estiver vaporizada o vapor será aquecido até 110 °C, sendo = 10ºC. Nessa fase a quantidade de calor necessária é:

Q5 = (100) (0,48) (10)

Q5 = 480 cal

Portanto a quantidade de calor total é:

Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5

Q = 1.000 + 8.000 + 10.000 + 54.000 + 480

Q = 73.480 cal

Podemos fazer um gráfico da temperatura em função da quantidade de calor fornecido

Mudança de Estado e Pressão

As temperaturas de fusão e ebulição dependem da pressão externa. Consideremos, por exemplo, o caso da ebulição da água. Quando a pressão a que a água está submetida é 1 atmosfera, a água entra em ebulição a 100° C. Isso acontece quando estamos no nível do mar. Porém, quando a pressão é menor, fica mais fácil de a água ferver e assim a água entra em ebulição a uma temperatura menor do que 100° C. Na cidade de São Paulo, por exemplo, que está a 700 metros acima do nível do mar, a pressão é menor do que 1 atmosfera e a água ferve a 98 °C.

Se a pressão externa for maior do que uma atmosfera, fica mais difícil de a água ferver e, assim, ela ferve a uma temperatura maior do que 100 °C. É isso que ocorre numa panela de pressão. Nessa panela, a pressão interna é maior do que 1 atmosfera e, assim, a água ferve a aproximadamente 120 °C facilitando o cozimento dos alimentos.


(Fig. 3)

DIAGRAMAS DE ESTADO

A Fig.4 apresenta um diagrama de estado típico da maioria das substâncias.

(Fig. 4)

Esse diagrama nos mostra os valores de pressão e temperatura para os quais a substância se encontra em cada estado de agregação.

A curva TB é chamada curva de fusão. Para os valores de pressão e temperatura que correspondem aos pontos dessa curva, a substância pode apresentar em equilíbrio as fases sólida e líquida.

A curva TC é a curva de vaporização. Seus pontos correspondem a valores de temperatura e pressão em que as fases líquida e gasosa podem ficar em equilíbrio.

A curva AT é a curva de sublimação. Seus pontos correspondem a valores de pressão e temperatura em que as fases sólida e gasosa podem ficar em equilíbrio.

O ponto T é chama de ponto triplo (ou tríplice), Sob pressão p T e à temperatura  T, a substância pode apresentar em equilíbrio as três fases: sólida, líquida e gasosa.