Mudanças de estado III
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. Todos os planetas apresentam ciclos da água iguais aos da Terra? O que é a chuva supergelada? |
1. A Física e o cotidiano
Ao congelarmos a água, é necessário levá-la até 0°C, para depois iniciarmos a solidificação dela nessa temperatura e, finalmente, resfriá-la para o equilíbrio térmico com o congelador.
Q = (mc |
2. A Física e o mundo
Fusões, vaporizações, solidificações, condensações e sublimações: seus efeitos ambientais e tecnológicos
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O ciclo da
água na Terra é fundamental para a manutenção da vida, para a agroindústria,
para a geração de energia elétrica e para a navegação. |
No planeta Marte, a baixa pressão atmosférica permite a existência da água apenas na forma de vapor ou de gelo. Assim, ocorre apenas a sublimação no ciclo da água marciana.
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Marte. |
Além do granizo...
A sobrefusão ou superfusão consiste em resfriar um líquido abaixo da sua temperatura de solidificação sem que ele passe para o estado sólido. Ela é explicada admitindo que o líquido superfundido se encontre em um estado de equilíbrio dito metaestável (instável). Esta explicação é justificada pelo fato de qualquer perturbação produzir a solidificação do líquido sobrefundido. Quando colocamos, em um líquido superfundido, um pequeno cristal da substância, este serve de núcleo e provoca a solidificação de toda a substância. Uma perturbação mecânica (por exemplo, agitação) em um líquido superfundido também pode provocar a solidificação. Quando um líquido superfundido se solidifica, a sua temperatura aumenta até atingir a temperatura de solidificação.
É este o estado que acomete a “chuva supergelada": ela começa como neve e durante sua queda passa por um bolsão de ar acima da temperatura de congelamento da água, fazendo com que ela se liquefaça, para em seguida passar por outro bolsão de ar, desta vez a uma temperatura muito inferior à necessária para seu congelamento, mas sem que isso, entretanto, ocorra. O fato é que uma gota de chuva supergelada pode atingir o chão a temperaturas de até –20°C.
E quando ela toca qualquer coisa, imediatamente transforma-se em gelo, podendo resultar em grandes desastres, pois cria camadas e mais camadas de gelo gerando um peso muito maior do que o previsto para a estrutura. Um exemplo de acidente que pode ocorrer é a derrubada de linhas de transmissão de energia elétrica.
Abaixo, o resultado deste tipo de chuva, que caiu recentemente na China.
3. A Física e o laboratório
Aquecimento da água
Vamos utilizar uma massa m de gelo a –20°C e aquecê-la até 120°C, por exemplo. A sequência das transformações é representada no esquema a seguir:
Considerando que não houve perdas, o calor total recebido pelo sistema é dado por:
Qtotal = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5
em que, substituindo pelas fórmulas de calor sensível e calor latente, temos:
Qtotal = (m c 
)gelo + (m LF)gelo + (m c )água + (m LV)água + (m c )vapor
Graficamente, o aquecimento do gelo é representado pelo diagrama acima.
É possível relacionar a situação descrita anteriormente com o tempo de aquecimento. Se a potência (Pot) da fonte térmica for constante, podemos construir a curva de aquecimento da seguinte maneira.
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| Q | Pot |  t |
|---|---|---|
| joule (J) | watt (W) | segundo (s) |
| cal | cal/min | min |
4. A Física e a evolução de seus conceitos
Curvas de aquecimento e de resfriamento
São as curvas que se obtêm construindo num diagrama cartesiano o gráfico da temperatura de um corpo em função da quantidade de calor trocada (recebida ou cedida) por ele.
Consideremos, por exemplo, um corpo de massa m de uma substância cujas temperaturas de fusão e de ebulição são, respectivamente, F e E. Seja 1 (1 < F) a temperatura inicial desse corpo. Como 1 < F, concluímos que inicialmente o corpo se encontra no estado sólido (ponto A). Fornecendo-se calor ao corpo, ele se aquece, mantendo-se sólido até a temperatura de fusão (ponto B). A partir daí, à medida que continua recebendo calor, o corpo se funde e a sua temperatura se mantém constante (patamar BC).
Só depois de totalmente fundido (ponto C) é que o corpo (agora no estado líquido) vai aquecer-se, permanecendo líquido até a temperatura de ebulição (ponto D). Durante a ebulição a temperatura se mantém constante (patamar DE) e só após completada a vaporização (ponto E) é que o vapor vai aquecer-se (trecho EF) até 2.
É sempre bom lembrar que essa curva com patamares só ocorre para substâncias puras. Para as demais substâncias, há rampas no lugar dos patamares.
As quantidades de calor recebidas pelo corpo para o aquecimento podem ser assim calculadas:
Q1 = m Csólido ( Q3 = m Clíquido ( Q5 = m Cvapor ( |
F -
A curva de resfriamento é obtida de maneira análoga, bastando considerar as transformações inversas daquelas que aparecem na curva do aquecimento.
Lembre-se de que LF (calor específico latente de fusão) e LS (calor específico latente de solidificação) são iguais em valor absoluto, porém de sinais opostos. Assim:
| LF = -LS |
Isso também ocorre com LV (calor específico latente de vaporização) e LL (calor específico latente de liquefação), valendo:
| LV = -LL |
Exercícios Propostos
1. Calcule a quantidade de calor necessária e suficiente que deve ser fornecida a 40g de água que se encontram inicialmente a 20°C, para que, no final, tenhamos 40g de vapor de água a 100°C.
Dados: Lvaporização = 540cal/g e cágua = 1,0 cal/g°C |
2. Uma fonte térmica de potência constante gasta 10min para aquecer 50g de água de 0°C até 20°C. Qual é o intervalo de tempo que essa mesma fonte irá demorar para fundir 10g de gelo que se encontram na temperatura de fusão?
Dados: Lfusão = 80 cal/g e cágua = 1,0 cal/g°C |
3. (VUNESP-MODELO ENEM) – Desejando uma segunda opinião, o médico legista, após remover o cérebro de um crânio, mediu sua massa, que era de 1,6 kg, envolvendo-o em um saco plástico e em seguida colocou-o em uma caixa térmica contendo 2,0 kg de gelo à temperatura de 0 °C. A caixa térmica foi então enviada para o segundo médico legista, longe dali. Ao recebê-la, o segundo médico constatou a presença de 100 g de água no interior da caixa, obtidas do derretimento de parte do gelo em função do calor cedido pelo cérebro até que se estabelecesse o equilíbrio térmico.
Considerando-se que a caixa térmica era ideal e que o ar e o plástico não participaram das trocas de calor, a temperatura do cérebro, no mo men to em que foi colocado dentro da caixa, em graus Celsius, era de:
a) 3,0
b) 5,0
c) 8,0
d) 10,0
e) 12,0
Dados: Calor específico sensível do cérebro = 1,0 cal/(g.°C) Calor latente específico de fusão do gelo = 80 cal/g Pressão atmosférica = 1,0 . 105 Pa |
4. (OBFEP-MODELO ENEM) – A chama de uma boca de fogão é o gás butano incandescendo aquecido pela sua combustão. Toda incandescência emite muito mais luz (radiação) invisível do que a luz visível. A luz invisível é facilmente absorvida em forma de calor. Digamos que uma boca de fogão acesa está fornecendo energia a uma quantidade de água a 100°C, dentro de uma panela de vidro. Durante 1,0 min, a quantidade de água foi reduzida de 40g e foram queimados 1,79g de butano.
(Disponível em: <http://www.cliquefacil.net/conheca-alguns-lindos-modelos-de-panel-de-vidro/>. Acesso em: 09/06/2020.)
Considerando-se que o vidro e a água são perfeitamente transparentes à luz visível (não absorvem luz visível) e que toda energia liberada pela chama foi absorvida pela água, exceto a transportada pela luz visível, quanta energia luminosa visível foi liberada pela chama?
a) 1,5 kJ
b) 2,0 kJ
c) 2,5 kJ
d) 3,0 kJ
e) 3,5 kJ
Dado: Calor de combustão do butano = 50 kJ/g Calor latente específico de vaporização da água = 2,2 kJ/g |
5. (FAM-MODELO ENEM) – O gráfico mostra a variação da temperatura, em função da quantidade de calor absorvida, de uma massa de 50 g de uma substância inicialmente no estado sólido.
Para essa substância, o calor latente específico de fusão, em cal/g, e o calor específico sensível no estado líquido, em cal/g . °C, são, respectivamente,
a) 40 e 0,5.
b) 40 e 1,0.
c) 80 e 0,5.
d) 40 e 2,0.
e) 80 e 1,0.
6. 
Além de ser capaz de gerar eletricidade, a energia solar é usada para muitas outras finalidades. A figura a seguir mostra o uso da energia solar para dessalinizar a água. Nela, um tanque contendo água salgada é coberto por um plástico transparente e tem a sua parte central abaixada pelo peso de uma pedra, sob a qual se coloca um recipiente (copo). A água evaporada se condensa no plástico e escorre até o ponto mais baixo, caindo dentro do copo.
Hinrichs, R. A.; Kleinbach. M. Energia e meio embiente. São Paulo: Pioneira Thomson Leaming, 2003 (adaptado).
Nesse processo, a energia solar cedida à água salgada
a) fica retida na água doce que cai no copo, tornando-a, as sim, altamente energizada.
b) fica armazenada na forma de energia potencial gravitacional contida na água doce.
c) é usada para provocar a reação química que transforma a água salgada em água doce.
d) é cedida ao ambiente externo através do plástico, onde ocorre a condensação do vapor.
e) é reemitida como calor para fora do tanque, no processo de
7. A Constelação Vulpécula (Raposa) encontrase a 63 anos-luz da Terra, fora do sistema solar. Ali, o planeta gigante HD 189733b, 15% maior que Júpiter, concentra vapor de água na atmosfera. A temperatura do vapor atinge 900 graus Celsius. “A água sempre está lá, de alguma forma, mas às vezes é possível que seja escondida por outros tipos de nuvens", afirmaram os astrônomos do Spitzer Science Center (SSC), com sede em Pasadena, Califórnia, responsável pela descoberta. A água foi detectada pelo espectrógrafo infravermelho, um aparelho do telescópio espacial Spitzer.
Correio Braziliense, 11 dez 2008 (adaptado).
De acordo com o texto, o planeta concentra vapor de água em sua atmosfera a 900 graus Celsius. Sobre a vaporização infere-se que
a) se há vapor de água no planeta, é certo que existe água no estado líquido também.
b) a temperatura de ebulição da água independe da pressão, em um local elevado ou ao nível do mar, ela ferve sempre a 100 graus Celsius.
c) o calor de vaporização da água é o calor necessário para fazer 1 kg de água líquida se transformar em 1 kg de vapor de água a 100 graus Celsius.
d) um líquido pode ser superaquecido acima de sua temperatura de ebulição normal, mas de forma nenhuma nesse líquido haverá formação de bolhas.
e) a água em uma panela pode atingir a temperatura de ebulição em alguns minutos, e é necessário muito menos tempo para fazer a água vaporizar completamente.
Gabarito
1. RESOLUÇÃO:
Aquecimento da água:
Q1 = mc
Q1 = 40 . 1,0 . (100 – 20)(cal)
Q1 = 3,2 . 103 cal
Vaporização da água:
Q2 = mLv
Q2 = 40 . 540 (cal)
Q2 = 21,6 . 103 cal
Total:
Q = Q1 + Q2
Q = 24,8 . 103 cal
Resposta: Q = 24,8 kcal
2. RESOLUÇÃO:
3. RESOLUÇÃO:
I. QL = mLF = 100 . 80 cal = 8000 cal
II. Q = mc
8000 = 1600 . 1,0 . ( – 0)
= 5,0°C
Resposta: B
4. RESOLUÇÃO:
I. Calor usado para vaporizar a água:
Q1 = mLV = 40 . 2,2 kJ = 88 kJ
II. Calor liberado pelo butano:
1 g ................. 50 kJ
1,79 g ................. Q2
Q2 = 89,5 kJ
III. Qvisível = Q2 – Q1 = 1,5 kJ
Resposta: A
5. RESOLUÇÃO:
Resposta: E
6. RESOLUÇÃO:
Quando a água salgada vaporiza ela usa a energia solar pois a vaporização é um processo endotérmico (absorve energia térmica). Quando o vapor d’água condensa no plástico ele cede calor para o ambiente externo pois a condensação é um processo exotérmico (cede energia térmica).
Resposta: D
7. RESOLUÇÃO:
a) Falsa. Se a temperatura for muito elevada não teremos água no estado líquido.
b) Falsa. A temperatura de ebulição da água depende da pressão externa. Ao nível do mar, na Terra, sob pressão de 1,0 atm ela vale 100°C. No alto de uma montanha a temperatura de ebulição é menor.
c) Verdadeira. O calor latente específico de vaporização da água é a quantidade de calor necessária e suficiente para vaporizar 1,0kg de água que está na temperatura de ebulição e sob pressão de 1,0 atm.
d) Falsa. No processo de ebulição há formação de bolhas.
e) Falsa. Para aquecer uma massa m de água de 0°C a 100°C o calor necessário e suficiente é dado por:
Q1 = m . c .
c = 1,0cal/g°C e = 100°C
Q1 = m . 1,0 . 100 
Q1 = 100m
Para vaporizar essa massa m de água o calor necessário e suficiente é dado por:
Q2 = m L
L = 540cal/g
Q2 = 540m
Portanto Q2 > Q1 e o tempo gasto para vaporizar a água, usando-se a mesma potência térmica, é maior.
Resposta: C
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