MUDANÇAS DE ESTADO I

Mudanças de estado I

Antes de iniciar seus estudos, reflita sobre as questões abaixo, forme suas opiniões e confronte-as com a teoria apresentada em seguida. Suas ideias e sugestões são muito importantes para enriquecer nosso ensino e o seu aprendizado.

Como as mudanças de estado estão presentes no dia a dia?

Por que o ventilador, apesar de movimentar o ar na mesma temperatura do ambiente abafado, causa a sensação refrescante?

Qual a origem da água que se forma na superfície da garrafa do refrigerante gelado?

É possível associar a umidade do ar com a sensação climática agradável?

O Sol é o único responsável pelo aquecimento do solo e do subsolo?

É possível manter um sistema sob aquecimento de uma chama de 900°C e sua temperatura não se alterar?

1. A Física e o cotidiano

O frio está na pele

O ventilador acelera a evaporação de camadas sucessivas de suor na pele e, com isso, ocorre a retirada de calor do corpo da pessoa.

O “suor" da garrafa gelada

O vapor-d’água presente no ar condensa-se na superfície fria da garrafa e formam-se as gotículas.

O clima que sufoca: úmido ou seco?

O vapor da sauna dificulta a evaporação do suor; na sauna seca, a pressão de vapor é menor e o ambiente fica mais agradável.

2. A Física e o mundo

Energia Geotérmica

Os mineradores sabem que a temperatura da Terra aumenta com a profundidade. Medidas indicam que a cada quilômetro a temperatura aumenta, em média, 30°C.

A água a grandes profundidades encontra-se a alta temperatura e pressão; por meio de falhas no terreno, a água pode jorrar na forma de jatos chamados de gêiseres.

Na profundidade de 50km (1500°C), a rocha se funde e fica pastosa por causa da pressão de 15 atm.

Nas regiões mais frágeis da crosta, a pasta cria frestas e a diminuição da pressão a torna mais fluida na superfície. A erupção desses vulcões é acompanhada de terremotos.

3. A Física experimental

Aquecimento da Água

Vamos utilizar uma massa m de gelo a 0°C e vaporizá-la completamente. A sequência das transformações é representada acima.

Considerando que não houve perdas, o calor recebido pelo sistema é:Q_total = Q₁ + Q₂ + Q₃

Substituindo pelas fórmulas de calor sensível e calor latente, temos:

Q_total = (mL_F)_gelo + (mc)_água + (mL_V)_água

Na fórmula acima, L_F e L_V são, respectivamente, os calores específicos latentes de fusão e de vaporização da água em cal/g ou em J/kg.

Substância
Água	80	540
Álcool	25	204
Alumínio	95	2500
Mercúrio	2,7	70
Chumbo	6,8	200
Cobre	65	1600
Estanho	14	460


Aqui, o dióxido de carbono (CO₂) está sublimando, passando do estado sólido para o estado gasoso.		O aço, ao ser aquecido a altas temperaturas, sofre fusão, passando do estado sólido para o estado líquido.

4. A Física e a evolução de seus conceitos

Estados físicos da matéria

A matéria pode apresentar-se nos estados sólido, líquido e gasoso. Esses estados se distinguem principalmente pelas seguintes propriedades:


Sólido	Líquido

Gasoso

Sólido: possui forma própria e volume bem definido.

Líquido: não possui forma própria; assume a forma do recipiente que o contém, mas possui volume bem definido.

Gás (ou vapor): não possui forma própria nem volume definido. Toma a forma e o volume do recipiente que o contém.

Observemos que em nosso estudo estaremos referindo-nos sempre a substâncias puras.

Definições

Fusão é a passagem de uma substância do estado sólido para o estado líquido.

Solidificação é a passagem do estado líquido para o estado sólido. É a transformação inversa da fusão.

Vaporização é a passagem de uma substância do estado líquido para o estado gasoso.

Liquefação ou condensação é a passagem do estado gasoso para o estado líquido. É a transformação inversa da vaporização.

Sublimação é a passagem da substância diretamente do estado sólido para o gasoso ou do estado gasoso para o sólido.

A experiência mostra que a fusão e a vaporização se processam sempre com recebimento (absorção) de calor, sendo, pois, transformações endotérmicas. Já a solidificação e a liquefação se processam com desprendimento (liberação) de calor, sendo, pois, transformações exotérmicas.

Observemos que a quantidade de calor que um corpo recebe ao fundir-se é a mesma que ele cede ao solidificar-se (princípio da transformação inversa). Da mesma forma, o que recebe ao vaporizar-se cede ao liquefazer-se.

Temperatura de mudança de estado

A fusão e a solidificação de uma substância se processam na mesma temperatura chamada temperatura (ou ponto) de fusão ou de solidificação (_F). Por exemplo, a água, sob pressão atmosférica normal, sempre se funde e se solidifica a 0°C.

A ebulição e a liquefação de uma substância se processam na mesma temperatura, chamada temperatura (ou ponto) de ebulição ou de liquefação (_E). Por exemplo, sob pressão atmosférica normal, a água entra em ebulição e se liquefaz a 100°C.

Cálculo da quantidade de calor latente

Seja Q a quantidade de calor latente necessária para provocar uma dada mudança de estado na massa m de uma substância, sem variação de temperatura.

Verifica-se experimentalmente que Q é proporcional à massa m, podendo-se, pois, escrever:

Q = m L

sendo L um coeficiente de proporcionalidade chamado calor específico latente da referida mudança de estado da substância.

Observemos que o calor específico latente de fusão e de solidificação é o mesmo, porque a quantidade de calor que um corpo recebe para se fundir é igual à que cede ao solidificar-se. Tal processo ocorre também com o calor específico latente de vaporização e de liquefação.

Exercícios Propostos:

1. (VUNESP-MODELO ENEM) – O ar-condicionado automotivo funciona pela troca de temperatura do ambiente interno pelo externo, ao fazer a passagem do ar pela serpentina do evaporador. A refrigeração do sistema é possível devido às mudanças de estado do fluido refrigerante, que se encontra no estado líquido em alta pressão e no estado gasoso em baixa pressão.

Ao mudar do estado líquido para o gasoso (processo 1), o refrigerante absorve calor do ar dentro do habitáculo, superaquecendo o gás. De modo inverso, ao passar do estado gasoso para o líquido (processo 2), o refrigerante perde calor na parte externa do veículo.

(www.k2.arcondiconado.com.br. Adaptado.)

Os nomes das transformações dos processos 1 e 2 são, respectivamente,

a) ebulição e solidificação.

b) sublimação e vaporização.

c) vaporização e condensação.

d) vaporização e sublimação.

e) liquefação e condensação.

2. (ETEC-SP-MODELO ENEM) – Uma atração turística da Áustria é Salzburgo, cidade natal de Mozart, construída na Antiguidade graças às minas de sal.

Salzburgo significa “castelo do sal", pois nessa cidade está localizada a mina de sal mais antiga do mundo, em atividade desde a Idade do Ferro (1000 a.C.).

No passado, o sal era um importante e quase insubstituível conservante alimentar e, além de cair bem ao nosso paladar, ele é uma necessidade vital, pois, sem o sódio presente no sal, o organismo seria incapaz de transmitir impulsos nervosos ou mover músculos, entre eles o coração.

(Disponível em: <terra.com.br/turismo/roteiros/2000/11/10/009.htm >.Acesso em: 16.08.2013. Adaptado.)

O sal também pode ser obtido da água do mar, processo que ocorre em salinas.

Durante a obtenção de sal em uma salina,

a) a água sofre evaporação.

b) a água sofre sublimação.

c) o sal sofre fusão.

d) a água e o sal sofrem sublimação.

e) a água e o sal sofrem solidificação.

3. (COLÉGIO NAVAL-MODELO ENEM) – Analise a tabela a seguir, considerando os pontos de fusão (PF) e ebulição (PE), a 1 atm de pressão, das substâncias a seguir.

Substância	PF (°C)	PE (°C)
Cloro	– 101,0	– 34,6
Flúor	– 219,6	– 188,1
Bromo	– 7,2	58,8
Mercúrio	– 38,8	356,6
Iodo	+ 113,5	184

Sendo assim, é correto afirmar que, a 50 °C, encontram-se no estado líquido:

a) cloro e flúor.

b) cloro e iodo.

c) flúor e bromo.

d) bromo e mercúrio.

e) mercúrio e iodo

4. (IFRS-MODELO ENEM) – Após alguns anos de instabilidades climáticas, o inverno de 2013, no Rio Grande do Sul, caracterizou-se por um comportamento climático condizente com a estação do ano. Nesse período, houve chuvas, temperaturas baixas, geadas e, em algumas regiões, até neve, fenômenos que embelezam a natureza e atraem muitos turistas para o estado, proporcionando um grande desenvolvimento na economia.

Sobre esses fenômenos climáticos, pode-se afirmar que, na formação das geadas, há ............... da água, enquanto, no derretimento da neve, há ............... da água.

a) condensação / liquefação

b) fusão / solidificação

c) solidificação / condensação

d) solidificação / fusão

e) solidificação / liquefação

5. (OBFEP-MODELO ENEM)

Diálogo entre o aluno Bisnaga e seu professor de Física

Bisnaga foi correndo para a cantina matar a sua sede. No colégio de Bisnaga não há bebedouros. A água para os alunos fica em moringas, que a deixam mais fria que em uma jarra de plástico ou de vidro. Quando estava bebendo água, o espírito questionador de Bisnaga ficou intrigado:

– Professor, você sabe por que a moringa deixa a água mais fresca que as outras garrafas?

– Bisnaga, é porque a moringa é feita de barro. E como você sabe, o barro...

Assinale a alternativa que completa, corretamente, o texto anterior.

a) possui um maior calor específico sensível, absorvendo o calor que deveria ser absorvido pela água.

b) possui uma menor condutividade térmica, isolando o calor que vem do meio externo, deixando a água mais fria.

c) é poroso, por isso permite que uma pequena fração da água atravesse suas paredes, e ao evaporar absorva calor do interior da moringa, diminuindo a temperatura da água.

d) reflete na superfície todo o calor que recebe por radiação vindo do meio externo.

e) é isolante térmico.

6. (OLÍMPIADA BRASILEIRA DE FÍSICA-ADAPTADOMODELO ENEM)

– Um aluno pergunta ao professor Arquimedes:

– Para onde vai o suor quando eu jogo futebol?

– Ele vira vapor. Você sabia que esse é um dos mecanismos que o corpo usa para não alterar muito a sua temperatura mesmo quando está gerando mais calor que o normal no caso de um grande esforço físico?

– Não sabia, professor. Então, a temperatura do corpo aumenta muito quando estamos jogando futebol?

– Não, isso não acontece, porque o suor molha a superfície da pele, absorve calor do corpo e vira vapor. Na realidade, a vaporização de um grama de suor faz perder 540cal. Entretanto, o calor também é perdido por condução para o ar, que está sempre se renovando devido ao vento ou à convecção dele, do próprio ar. Por exemplo, digamos que, em uma partida de futebol, seu corpo libere 864kJ de calor. Sabendo-se que, durante essa partida de futebol, 50% do calor foi liberado pelo suor e usando 1cal = 4,0J, quantos gramas de massa de suor foram vaporizadas nessa partida?

a) 100

b) 200

c) 300

d) 400

e) 500

7. O ciclo da água é fundamental para a preservação da vida no planeta. As condições climáticas da Terra permitem que a água sofra mudanças de fase e a compreensão dessas transformações é fundamental para se entender o ciclo hidrológico. Numa dessas mudanças, a água ou a umidade da terra absorve o calor do sol e dos arredores. Quando já foi absorvido calor suficiente, algumas das moléculas do líquido podem ter energia necessária para começar a subir para a atmosfera.

Disponível em: http://www.keroagua.blogspot.com. Acesso em: 30 mar. 2020 (adaptado).

A transformação mencionada no texto é a

a) fusão.

b) liquefação.

c) evaporação.

d) solidificação.

e) condensação.

8. Em grandes metrópoles, devido a mudanças na superfície terrestre – asfalto e concreto em excesso, por exemplo – formam-se ilhas de calor. A resposta da atmosfera a esse fenômeno é a precipitação convectiva. Isso explica a violência das chuvas em São Paulo, onde as ilhas de calor chegam a ter 2 a 3 graus centígrados de diferença em relação ao seu entorno.

Revista Terra da Gente Ano 5. no 60. Abril 2009 (adaptado).

As características físicas, tanto do material como da estrutura projetada de uma edificação, são a base para compreensão de resposta daquela tecnologia construtiva em termos de conforto ambiental. Nas mesmas condições ambientais (temperatura, umidade e pressão), uma quadra terá melhor conforto térmico se

a) pavimentada com material de baixo calor específico, pois quanto menor o calor específico de determinado material, menor será a variação térmica sofrida pelo mesmo ao receber determinada quantidade de calor.

b) pavimentada com material de baixa capacidade térmica, pois quanto menor a capacidade térmica de determinada estrutura, menor será a variação térmica sofrida por ela ao receber determinada quantidade de calor.

c) pavimentada com material de alta capacidade térmica, pois quanto maior a capacidade térmica de determinada estrutura, menor será a variação térmica sofrida por ela ao receber determinada quantidade de calor.

d) possuir um sistema de vaporização, pois ambientes mais úmidos permitem uma mudança de temperatura lenta, já que o vapor d’água possui a capacidade de armazenar calor sem grandes alterações térmicas, devido ao baixo calor específico da água (em relação à madeira, por exemplo).

e) possuir um sistema de sucção do vapor d'água, pois ambientes mais secos permitem uma mudança de temperatura lenta, já que o vapor d'água possui a capacidade dearmazenar calor sem grandes alterações térmicas, devido ao baixo calor específico da água (em relação à madeira, por exemplo).

Gabarito:

1. RESOLUÇÃO:

Processo 1

Mudar do estado líquido para o gasoso: vaporização.

Processo 2

Passar do estado gasoso para o líquido: condensação.

Resposta: C

2. RESOLUÇÃO:

A passagem do estado líquido para o estado gasoso é chamada de vaporização. Um dos processos de vaporização, que pode ocorrer em qualquer temperatura, é a evaporação.

Resposta: A

3. RESOLUÇÃO:

I. A 50°C, o cloro está no estado gasoso.

II. A 50°C, o flúor está no estado gasoso.

III. A 50°C, o bromo está no estado líquido (ele vaporiza a 58,8°C).

IV. A 50°C, o mercúrio está no estado líquido (ele vaporiza a 356,6°C).

V. A 50°C, o iodo está no estado sólido (ele se funde a 113,5°C).

Resposta: D

4. RESOLUÇÃO:

Na formação de geada, a água líquida se transforma em água sólida, ocorrendo o processo de solidificação. Quando a neve derrete, a água sólida se transforma em água líquida, ocorrendo o processo de fusão.

Resposta: D

5. RESOLUÇÃO:

A água atravessa os poros da moringa de barro e vai evaporar-se, retirando calor da água remanescente, que vai sofrer redução em sua temperatura.

Resposta: C

6. RESOLUÇÃO:

Resposta: B

7. RESOLUÇÃO:

A mudança de estado em questão é a transformação de água líquida em água gasosa sem que a temperatura seja a de ebulição da água. O processo descrito é a evaporação da água.

Resposta: C

8. RESOLUÇÃO:

a) Falsa. Da relação Q = mc verificamos que quanto menor o calor específico sensível c maior será a variação de temperatura ao receber uma dada quantidade de calor.

b) Falsa. Da relação Q = C verificamos que quanto menor a capacidade térmica C maior será a variação de temperatura ao receber uma dada quantidade de calor.

c) verdadeira. Da relação Q = C verificamos que quanto maior for a capacidade térmica C menor será a variação de temperatura ao receber uma dada quantidade de calor.

d) e e) Falsas. O calor específico sensível da água é muito elevado.

Resposta: C