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:
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
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.