MUDANÇAS DE ESTADO

 Mudanças de Estado

1. Estados Físicos da Matéria

A matéria pode apresentar-se nos estados sólido, líquido e gasoso. Estes 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.

Em nosso estudo, faremos referência sempre a substâncias puras.

2. 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.

3. Tipos de Vaporização

Conforme a maneira de se processar, a vaporização recebe nomes diferentes. Assim, ela pode tomar o nome de:

a) Evaporação: que é a passagem de uma substância do estado líquido para o estado gasoso mediante um processo lento que se verifica apenas na superfície do líquido. É o que acontece com a água de um tanque, ou de uma bacia colocada ao ar livre. A evaporação pode ocorrer em qualquer temperatura que esteja o líquido.

A água do lago está constantemente evaporando.

 

b) Ebulição: é a passagem de uma substância do estado líquido para o estado gasoso mediante um processo tumultuoso que se verifica em toda a massa líquida. Isso ocorre quando a pressão de vapor do líquidos e iguala à pressão u externa, aí o vapor escapa produzindo o borbulhar característico da ebulição. É o que acontece com a água de uma chaleira quando esta é colo cada ao fogo e começa a fervura. A ebulição só ocorre em uma determinada temperatura, característica do líquido, chamada temperatura (ou ponto) de ebulição, que depende da pressão exercida em sua superfície.

A água entra em ebulição quando sua pressão de vapor se iguala à pressão externa.

 

c) Calefação: é a passagem da substância do esta do líquido para o estado gasoso, após um aquecimento muito repentino. Por exemplo, quando uma porção de água é jogada na chapa quente de um fogão, há um aquecimento repentino da água, seguido do fenômeno da calefação.

 

No aquecimento repentino da gota d’água, as partículas da superfície passam para o estado gasoso, “protegendo" o restante da gota, fazendo com que a vaporização total demore um pouco mais, apesar de a água estar aquecida.

4. 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.

5. Leis Gerais das Mudanças de Estado

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

1ª Lei

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

Esta 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.

2ª 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)."

Esta 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

 

3ª 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 71°C.

6. 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 a que cede ao solidificar-se. Tal processo ocorre também com o calor específico latente de vaporização e de liquefação.

7. 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 deste 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 se aquecer, 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 se aquecer (trecho E_F) até q₂.

As quantidades de calor recebidas pelo corpo para o aquecimento podem ser assim calculadas:

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 L_F (calor específico latente de fusão) e L_S (calor específico latente de solidificação) são iguais em valor absoluto, porém de sinais opostos.  Assim:

LF = -LS

 

O mesmo ocorre com L_V (calor específico latente de vaporização) e L_L (calor específico latente de liquefação), valendo:

LV = -LL

8. Aquecimento da Água

Vamos utilizar uma massa m de gelo a -20ºC, 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:

Q_total = Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ + Q₅

em que, substituindo pelas fórmulas de calor sensível e calor latente, temos:

Q_total = (m c )_gelo + (m L_F)_gelo + (m c )_água + (m L_V)_água + (m c )_vapor

Graficamente, o aquecimento do gelo é representado pelo diagrama.

Exercícios Propostos – Módulo 4 

1.  O quadro apresenta alguns exemplos de combustíveis empregados em residências, indústrias e meios de transporte.

Combustível	Temperatura defusão (°C)	Temperatura de ebulição (°C)
Butano	–135	–0,5
Etanol	–112	78
Metano	–183	–162
Metanol	–98	65
Metanol	–57	126

 

São combustíveis líquidos à temperatura ambiente de 25°C:

a) butano, etanol e metano.

b) etanol, metanol e octano.

c) metano, metanol e octano.

d) metanol e metano.

e) octano e butano.

2. (UNIFAI-2018) – O gráfico mostra a temperatura de 100g de uma substância, inicialmente no estado sólido, em função da quantidade de calor absorvida.

Nessa situação, o calor latente específico de fusão dessa substância é

a) 0,4cal/g.

b) 1,5cal/g.

c) 3,3cal/g.

d) 6,0cal/g.

e) 7,5cal/g.

3. (UEFS-2018-MODELO ENEM) – Dentro de um recipiente te isolado há 4,0 de água líquida, a 40°C. Um bloco de gelo de 6,0kg, a –10°C, é colocado dentro desse mesmo recipiente, que em seguida é fechado. Depois de determinado intervalo de tempo, quando o equilíbrio térmico foi atingido dentro do recipiente, ele é aberto e verifica-se que nem todo o gelo derreteu. O gráfico representa como variaram as temperaturas (  ) das substâncias envolvidas nesse experimento, em função do tempo (t).

Considere as informações contidas no gráfico e na tabela, admita que o experimento foi realizado no nível do mar e que só houve troca de calor entre a água que estava inicialmente no recipiente e o bloco de gelo introduzido. Após o estabelecimento do equilíbrio térmico, haverá, dentro do recipiente, uma massa de água líquida igual a

a) 4375g.

b) 4750g.

c) 5000g.

d) 5225g.

e) 5625g.

4. (UNIVAG-2018-MODELO ENEM) – A temperatura da água contida em um filtro de barro, como o ilustrado na imagem, geralmente é mais baixa do que a da água contida em um recipiente de vidro ou de plástico colocado ao lado desse filtro. Isso ocorre porque o barro é (lacuna 1), o que permite a (lacuna 2) da água, que é um processo (lacuna 3).

(www.ceramicastefani.com.br)

 

As lacunas desse texto são respectivamente preenchidas por:

a) permeável – vaporização – exotérmico

b) permeável – fusão – endotérmico

c) permeável – vaporização – endotérmico

d) impermeável – vaporização – endotérmico

e) impermeável – fusão – exotérmico

Exercícios Propostos – Módulo 5

1. (FUVEST-2018-MODELO ENEM) – Furacões são sistemas físicos que liberam uma enorme quantidade de energia por meio de diferentes tipos de processos, sendo um deles a condensação do vapor em água.

De acordo com o Laboratório Oceanográfico e Meteorológico do Atlântico, um furacão produz, em média, 1,5 cm de chuva por dia em uma região plana de 660 km de raio. Nesse caso, a quantidade de energia por unidade de tempo envolvida no processo de condensação do vapor em água da chuva é, aproximadamente,

a) 3,8 x 10¹⁵ W.

b) 4,6 x 10¹⁴ W.

c) 2,1 x 10¹³ W.

d) 1,2 x 10¹² W.

e) 1,1 x 10¹¹ W.

Note e adote: π = 3. Calor latente específico de vaporização da água: 2,0 . 106 J/kg. Densidade da água: 1,0 . 103 kg/m3. 1 dia = 8,6 . 104 s.

 

2. (FEMA-2018-MODELO ENEM) – Uma máquina de café também pode ser usada para aquecer o leite, pois produz um jato pressurizado de vapor que, borbulhado dentro do leite, troca calor rapidamente com ele, e, assim, eleva sua temperatura.

Para aquecer uma determinada quantidade de leite até 80°C, a máquina injeta 10g de vapor de água a 130°C. O vapor borbulhado troca de calor apenas com o leite, se esfria até 100°C, se condensa e, finalmente, se transforma em água a 80°C.

Sabendo-se que o calor específico sensível do vapor de água vale 0,5cal/(g°C), que o calor latente específico de condensação do vapor de água vale 540cal/g e que o calor específico sensível da água vale 1,0cal/(g.°C), a quantidade de energia que o leite recebe nesse processo de aquecimento é de:

a) 150cal

b) 200cal

c) 750cal

d) 5400cal

e) 5750cal

3. (PUC-RJ-2018) – Em um calorímetro são colocados 100g de gelo a 0°C e 200g de água a 40°C.

Calcule, em °C, a temperatura final do sistema, supondo o calorímetro perfeitamente isolado.

a) 40

b) 20

c) 10

d) 5

e) 0

Dados cágua = 1,0 cal/g°C Lgelo = 80 cal/g

 

4. (EMBRAER-2018-MODELO ENEM) – Trocadores de calor são equi pamentos utiliza dos em diversas indústrias, como as de petróleo, química, petroquímica, alimentícia e outras. Sua utilização permite o aquecimento de um fluido frio por meio do resfriamento de outro fluido, ambos existentes no mesmo processo industrial.

No caso, representado na ilustração a seguir, o objetivo é o de resfriar o vapor que entra no equipamento. Para isso, injeta-se um líquido frio que é aquecido até sair do equipamento e que resfria o vapor, o qual, ao sair, encontra-se condensado.

(http://inspecaoequipto.blogspot.com.br/2014/03 /trocadores-de-calor-definicao-quanto.html. Adaptado)

 

Com relação às substâncias que circulam no equipamento, é correto afirmar que:

a) o líquido que entra em 1 transfere calor para o vapor que sai em 4.

b) a substância que entra em 3 muda de estado físico durante sua passagem no equipamento.

c) elas, ao entrarem no equipamento, têm seu estado físico modificado.

d) o líquido que sai em 2 teve sua energia inicial transformada em umoutro tipo de energia.

 

Gabarito – Módulo 4

1. RESOLUÇÃO:

Para que o combustível seja um líquido a 25°C, a temperatura de ebulição deve superar este valor, uma vez que as temperaturas de fusão, da tabela, são negativas. Dessa forma, os combustíveis líquidos são o etanol, o metanol e o octano.

Resposta: B

2. RESOLUÇÃO:

A fusão de 100g da substância ocorre a 327°C, e o calor recebido pela amostra vale:

Q = 750 – 150 (cal)

Q = 600cal

Cálculo do calor específico latente de fusão (L) da substância:

Resposta: D

 

3. RESOLUÇÃO:

Massa M de água líquida dentro do recipiente após o estabelecimento do equilíbrio térmico:

M = 4000g iniciais + 1625g provenientes da fusão

M = 5625g

Resposta: E

4. RESOLUÇÃO:

O barro deve ser permeável permitir a passagem da água para a superfície externa do filtro, onde ocorre a vaporização por evaporação que é um processo endotérmico que resfria o líquido interno.

Resposta: C

Gabarito – Módulo 5

1. RESOLUÇÃO:

 

2. RESOLUÇÃO:

 

3. RESOLUÇÃO:

 

4. RESOLUÇÃO:

A substância que entra, em forma de vapor, em 3 sofre liquefação ao transferir calor para o líquido que entra em 1.

Resposta: B