MUDANÇAS DE ESTADO II

 Mudanças de estado II

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. Por que a bebida, às vezes, congela quando a tocamos, ao abrir a garrafa? Que problemas o congelamento da água pode produzir na vida urbana dos locais de invernos rigorosos? Que aplicações tecnológicas você pensaria para a dilatação anômala de alguns materiais, como a água e o antimônio? Como cozinhar macarrão no Monte Everest?

1. A Física e o cotidiano

Mágica da geladeira: a bebida congela no toque das mãos

Primeiramente, a bebida não congela quando a tocamos, mas sim quando abrimos a garrafa.

A bebida é uma mistura cujo maior constituinte é a água. As demais substâncias presentes na solução fazem com que o arranjo molecular da água fique desordenado; isso provoca uma modificação no ponto de solidificação dela.

Isso acontece porque o processo de resfriamento da bebida no congelador ocorre lentamente e sem grandes perturbações mecânicas. Dessa maneira, a bebida atinge uma temperatura abaixo do seu ponto de solidificação sem se solidificar (este fenômeno é denominado sobre fusão ou superfusão).

Além disso, não podemos esquecer que o líquido no interior da garrafa fica submetido a uma pressão maior que a pressão atmosférica, o que faz com que seu ponto de solidificação abaixe.

Quando abrimos a garrafa, a pressão no seu interior iguala-se à pressão atmosférica e consequentemente o ponto de solidificação volta ao seu valor original. Como a bebida se encontra com uma temperatura abaixo do seu ponto de solidificação, ela congela.

A água, em estado de sobrefusão, também se congela imediatamente, tal como a cerveja ou o refrigerante ao saírem da garrafa.

 

Não podemos esquecer também que a bebida contém gás carbônico, que promove o rebaixamento crioscópico, ou seja, a presença do gás carbônico (e outras substâncias) na bebida faz com que o líquido se congele a uma temperatura mais baixa. No momento em que abrimos a garrafa, além do rebaixamento da pressão, há ainda a perda de grande quantidade de gás carbônico. Isso eleva o ponto de congelamento e, às vezes, observamos que o primeiro copo recebe bebida líquida e do segundo em diante, a bebida congela fora da garrafa, justamente pela maior perda de gás carbônico.

Então, o que fazer para que a bebida não congele ao sair do congelador?

O estado de sobrefusão é muito instável e, por isso, qualquer mudança provoca a solidificação abrupta do líquido. Uma maneira de evitar que isso aconteça é segurar a garrafa pelo gargalo, pois o calor da mão também contribui para alterar o equilíbrio instável da bebida.

É por essa razão que garçons experientes seguram a garrafa de bebida pelo gargalo, onde a quantidade de líquido é mínima, para evitar que ela seja servida congelada.

A neve é bonita, mas causa problemas

O fato de a água aumentar de volume ao passar do estado líquido para o sólido provoca, nos países frios, a ruptura das instalações hidráulicas, dos radiadores de automóvel e das estradas pavimentadas. Medidas preventivas são tomadas, colocando-se os canos a uma certa profundidade, servindo a terra que se lhes sobrepõe de isolante térmico; nas águas dos radiadores, colocam-se substâncias especiais que abaixam bastante o ponto de solidificação da água.

A dilatação da água do refrigerante no congelador provoca o rompimento do lacre metálico da lata.

Levantando prédios e apertando letras

Um exemplo marcante é a recolocação no lugar de um muro de arrimo ou da estaca de um prédio. Isso se faz orientando-se os esforços decorrentes da congelação, de modo a funcionar como um “macaco", permitindo o reforço da fundação do prédio.
 

Fundação do prédio.

O congelamento da água foi pensado para amenizar os problemas defundação dos prédios tortos de Santos e da Torre de Pisa.

Outra aplicação é o uso de antimônio na confecção de tipos metálicos de imprensa, nos quais a variação de volume do antimônio com a temperatura compensa a de outros metais, de modo a manter o tamanho dos tipos constante.

2. A Física e o mundo

Influência da altitude na variação do ponto de ebulição

A temperatura de ebulição de um líquido depende da pressão. Quanto maior a altitude, menor é a pressão e menor é a temperatura de ebulição.

 

3. A Física experimental

No Rio de Janeiro (no nível do mar), uma certa quantidade de feijão demora 40 minutos em água fervente para ficar pronta. A tabela a seguir fornece o valor da temperatura de fervura da água em função da pressão atmosférica, enquanto o gráfico fornece o tempo de cozimento dessa quantidade de feijão em função da temperatura. A pressão atmosférica no nível do mar vale 760mm de mercúrio e ela diminui 10mm de mercúrio para cada 100m de altitude

Temperatura de fervura da água em função da pressão
Pressão em mm de Hg	600	640	680	720	760	800	840	880	920	960	1000	1040
Temperatura em ºC	94	95	97	98	100	102	103	105	106	108	109	110

 

Tempo de cozimento versus temperatura

Com base nessas informações, é possível concluir que:

I. No mar Morto, que se encontra a 400m abaixo do nível do mar, a pressão seria de 800mm de Hg (760 + 40) que, na tabela, corresponde a 102°C e a um tempo de 30 minutos de cozimento no gráfico.

II. Num local a 800m de altitude, a pressão é de 680mmHg (760 – 80), a temperatura de ebulição vale 97°C e o tempo de cozimento, 60 min.

III. Uma panela de pressão, cuja válvula mantém a pressão interna a 1,37 atm (1,37 atm = 1,37 . 760 ≅ 1040mmHg), cozinha o feijão a 110°C em cerca de 12 minutos.

4. A Física e a evolução de seus conceitos

Leis gerais das mudanças de estado

Para substâncias puras, as mudanças de estado obedecem às seguintes leis:

1.a LEI “Se durante uma mudança de estado a pressão se mantiver constante, a temperatura também permanecerá constante."

Essa lei nos permite concluir que enquanto há mudança de estado não há variação de temperatura e, consequentemente, enquanto há variação de temperatura não há mudança de estado. Ou seja, a mudança de estado e a variação de temperatura jamais ocorrem simultaneamente se a pressão se mantiver invariável.

2.a LEI “Para uma dada pressão, cada substância pura tem fixa a sua temperatura de fusão (ou de solidificação) e a sua temperatura de ebulição (ou de liquefação)."

Essa lei nos ensina que as temperaturas de fusão (_F) e de ebulição (_E), numa dada pressão, são características das substâncias.

Por exemplo, sob pressão normal, temos:

água: _F = 0°C e _E = 100°C

álcool: _F = –114°C e _E = 78°C

mercúrio: _F = –39°C e _E = 357°C

oxigênio: _F = –218°C e _E = –183°C

3.a LEI “Variando a pressão, as temperaturas de fusão e de ebulição também variam."

Por exemplo, em Santos, onde a pressão atmosférica é normal, a água ferve a 100°C. Em São Paulo, onde a pressão atmosférica é da ordem de 700mm de Hg, a água ferve a 98°C, aproximadamente. Em Brasília, que se encontra a 1152m de altitude, a água entra em ebulição a 96°C. No Monte Everest, a 8882m de altitude, a água ferve a 75°C.

Exercícios Propostos

Texto para as questões de 1 a 4.

Podemos conhecer melhor uma substância por meio de seu diagrama de fases, que são curvas que delimitam as regiões correspondentes às fases sólida, líquida e gasosa da substância. A figura abaixo mostra o diagrama de fases da água, líquido vital aos seres vivos e que é estudado universalmente.

Nota: O gráfico apresentado não foi feito em escala correta

 

Analise o diagrama de fases mostrado e assinale, nas afirmativas, V (para verdadeiro) ou F (para falso). Justifique suas respostas com base nas informações do diagrama apresentado.

 

1. ( ) Sob pressão de 4,58 mmHg e à temperatura de 0,01°C, há a coexistência das três fases da água em equilíbrio: sólida, líquida e gasosa. Esse ponto é o ponto triplo da água.

Uso do termômetro a gás para a medida do ponto triplo da água.

2. ( ) A curva AT do diagrama é a curva de sublimação, cujos pontos representam os estados de equilíbrio entre as fases sólida e líquida.

Sublimação e ressublimação: passagem do sólido para o gasoso e gasoso para o sólido.

	Sublimação do gelo seco (CO2).	Sublimação do iodo.

3. ( ) À pressão de 2,51 mmHg e à temperatura ambiente de 20°C, o diagrama mostra que a água está no estado de vapor.

Vapor  T < Tc  a água se condensa por compressão isotérmica. Gás  T > Tc  a água não se condensa por compressão isotérmica. A temperatura de ponto crítico Tc é a referência para diferenciar gases de vapores.

 

4. ( ) A curva TB do diagrama mostra que a fusão é facilitada pelo aumento de pressão.

 

5. (CEFET-SC) – Considere os trechos abaixo, uma pergunta de uma leitora ao químico Robert Wolke e a resposta deste:

Pergunta: “Meu marido, minha filha e eu vamos voltar a La Paz, Bolívia, para adotar outro bebê. Por causa da altitude elevada, a água fervente pode levar horas para cozinhar as coisas. Há alguma regra geral a respeito de quanto tempo leva para cozinhar alguma coisa em altitudes diversas? E ferver as mamadeiras a essa altitude mata os micróbios?"

La Paz.

Esterilizador de mamadeiras.

Monte Everest (8848m).

Resposta: “A altitude de La Paz vai de 3250m a 4000m acima do nível do mar..." “Então, a 4000m, a água vai ferver a 86°C. Temperaturas acima de 74°C são consideradas suficientes para matar a maior parte dos micróbios..."

(In Wolke, R. L. O que Einstein disse a seu cozinheiro: a ciência na cozinha.
Rio de Janeiro: J. Zahar, 2002.)

a) Com base nas informações contidas no texto e considerando-se que, no nível do mar, a água pura entra em ebulição a uma temperatura de 100°C, qual a variação da temperatura de ebulição da água para uma altitude de 300m acima do nível do mar?

b) Estime a partir de qual altitude a esterilização da mamadeira fica comprometida.

Nota: Admitir que o módulo da variação de temperatura de ebulição da água é proporcional à altitude do lugar.

6.  Em nosso cotidiano, utilizamos as palavras “calor" e “temperatura" de forma diferente de como elas são usadas no meio científico. Na linguagem corrente, calor é identificado como “algo quente" e temperatura mede a “quantidade de calor de um corpo". Esses significados, no entanto, não conseguem explicar diversas situações que podem ser verificadas na prática.

Do ponto de vista científico, que situação prática mostra a limitação dos conceitos corriqueiros de calor e temperatura?

a) A temperatura da água pode ficar constante durante o tempo em que estiver fervendo.

b) Uma mãe coloca a mão na água da banheira do bebê para verificar a temperatura da água.

c) A chama de um fogão pode ser usada para aumentar a temperatura da água em uma panela.

d) A água quente que está em uma caneca é passada para outra caneca a fim de diminuir sua temperatura.

e) Um forno pode fornecer calor para uma vasilha de água que está em seu interior com menor temperatura do que a dele.

7.  A água apresenta propriedades físico-químicas que a coloca em posição de destaque como substância essencial à vida. Dentre essas, destacam-se as propriedades térmicas biologicamente muito importantes, por exemplo, o elevado valor de calor latente de vaporização. Esse calor latente refere-se à quantidade de calor que deve ser adicionada a um líquido em seu ponto de ebulição, por unidade de massa, para convertê-lo em vapor na mesma temperatura, que no caso da água é igual a 540 calorias por grama.

A propriedade físico-química mencionada no texto confere à água a capacidade de

a) servir como doador de elétrons no processo de fotossíntese.

b) funcionar como regulador térmico para os organismos vivos.

c) agir como solvente universal nos tecidos animais e vegetais.

d) transportar os íons de ferro e magnésio nos tecidos vegetais.

e) funcionar como mantenedora do metabolismo nos organismos vivos.

Gabarito

1. RESOLUÇÃO:

Verdadeira. A pressão de 4,58 mmHg e a temperatura de 0,01°C correspondem ao ponto T (ponto triplo) do sistema, no qual podemos encontrar a água nos estados sólido (gelo), líquido (água) e gasoso (vapor d’água) em equilíbrio.

2. RESOLUÇÃO:

Falsa. A curva AT é a curva da sublimação. No entanto, essa curva separa as regiões de sólido e vapor. A curva que separa sólido e líquido é a curva TB.

3. RESOLUÇÃO:

Verdadeira. Procurando no gráfico o ponto correspondente à pressão de 2,51 mmHg e à temperatura de 20°C, observamos que esse ponto está na região de vapor.

4. RESOLUÇÃO:

Verdadeira. A curva TB, que representa a passagem sólido-líquido (fusão) ou líquido-sólido (solidificação), mostra que o aumento da pressão corresponde a uma diminuição na temperatura de fusão-solidificação. Portanto, o aumento da pressão facilita a fusão dessa substância (água).

5. RESOLUÇÃO:

6. RESOLUÇÃO:

Quando, durante o processo de ebulição, a água recebe calor e sua temperatura permanece constante, fica evidenciada a falha do modelo apresentado em que a temperatura mede a quantidade de calor do corpo.

Resposta: A

7. RESOLUÇÃO:

O elevado calor latente específico de vaporização da água é um regulador térmico para os organismos vivos.

Por exemplo, quando o suor se evapora é retirado calor de nosso corpo, melhorando a sensação térmica.

Resposta: B