Mudanças de Fases

Os materiais são encontrados na natureza, de um modo geral, em três fases ou estados: sólido, líquido e gasoso. Uma substância pode apresentar-se em qualquer um desses estados, dependendo de sua temperatura e da pressão a que está submetida. Alterando-se os valores dessas grandezas, é possível fazer a substância passar de uma fase para a outra. 

As mudanças de estado físico ocorrem com a absorção ou liberação de calor pela substância, cuja permanência em uma das fases depende da temperatura e da pressão a que ela fica submetida. Entretanto, não é toda substância que muda seu estado físico ao receber ou ceder calor. Se aquecermos um pedaço de madeira, por exemplo, aumentando sua temperatura gradativamente, ele jamais se tornará líquido, mas entrará em combustão e vai se transformar em carvão.  

Uma mudança de estado físico é uma transformação física, ou seja, o calor trocado com a substância apenas atua no modo de agregação de suas partículas, sem afetar sua composição química. Ao final do processo temos exatamente a mesma substância, mas em outro estado físico. Assim, é possível reverter o processo e retornar ao estado físico anterior, fazendo o calor fluir no sentido contrário em relação à substância.

A combustão é uma transformação química irreversível em que as substâncias envolvidas se modificam completamente, ou seja, a substância original deixa de existir após a reação e surge uma ou mais substância. Por exemplo, o carvão produzido pela queima da madeira não consegue se tornar novamente celulose. 

FUSÃO E SOLIDIFICAÇÃO

Na fusão, ao aumentar a temperatura desse corpo, a agitação térmica de seus átomos também aumenta. Em um certo momento, esta agitação é tão intensa que a estrutura cristalina organizada desaparece e, assim, o corpo passa par o estado líquido, isto é, observa-se a fusão do sólido. Na fusão, a temperatura é bem determinada. Enquanto a fusão se processa, a quantidade de sólido diminui e a de líquido aumenta sem que a temperatura se modifique. Enquanto, o corpo está se fundindo, a temperatura do sólido permanece constante, e o líquido que resulta da fusão se encontra à mesma temperatura do sólido.

A quantidade de calor trocada por unidade de massa durante a fusão-solidificação é conhecida como calor latente e é representada pela letra L. 

 Lf >0 calor de fusão

Ls < 0 calor de solidificação

A quantidade de calor Q trocada durante a mudança de fase de uma substância é dada pelo produto da massa m da amostra pelo calor latente L:

CALOR LATENTE: MUDA O ESTADO FÍSICO SEM ALTERAR A TEMPERATURA.

Durante a fusão de qualquer substância, com o calor absorvido as partículas aumentam  energia cinética, ocupando um espaço maior no estado líquido do que no estado sólido, ou seja, aumenta o seu volume e se expande. No entanto, algumas substâncias se comportam de maneira oposta. É o caso da água, do bismuto, do ferro e do antimônio. O comportamento diferente dessas substâncias revela algo sobre a configuração espacial dessas moléculas. No estado sólido suas partículas se organizam de modo que o retículo cristalino ocupa mais espaço do que durante a fusão. Dessa forma, enquanto ocorre a fusão, suas moléculas ficam mais próximas umas das outras, ocupando um espaço menor, resultando num volume final menor do que quando estavam no estado sólido.

Na solidificação, os processos físicos ocorrem em sentido inverso ao da fusão.

VAPORIZAÇÃO E CONDENSAÇÃO

A passagem do estado líquido para o estado gasoso, isto é, a vaporização, pode ocorrer de duas maneiras: por evaporização e por ebulição.

EVAPORIZAÇÃO: A água que estava sobre a pia evaporou, ou seja, passou para o estado de vapor de forma lenta, sem necessidade de uma fonte de calor. Os seguintes fatores interferem na rapidez da evaporização de um líquido:

1. os líquidos mais voláteis evaporam com maior facilidade, como o éter e o álcool etílico.
2. o aumento da área da superfície livre favorece a evaporização dele.
3. o aumento de pressão sobre a superfície livre do líquido dificulta a evaporação dele.

É pelo fato de os líquidos evaporarem que:

• as roupas penduradas no varal secam ao sol ou mesmo a sombra.
• a superfície do nosso corpo seca após o banho, mesmo sem usar toalha.
• sentimos a pele resfriar rapidamente quando passamos álcool comum nos braços.
• a evaporização do suor na pele funciona como um mecanismo de refrigeração que impede que a temperatura suba demais. 

A EVAPORIZAÇÃO DE UM LÍQUIDO É UMA VAPORIZAÇÃO QUE OCORRE A QUALQUER TEMPERATURA, CONSTITUINDO-SE EM UM PROCESSO LENTO E TRANQUILO.

Ex: Colocando-se a mesma quantidade de um líquido nos dois recipientes de gargalo diferente, um maior e outro menor verifica-se que o líquido evapora muito mais rapidamente naquele onde é maior a área de sua superfície em contato com o ar. Assim, para que uma roupa molhada seque depressa, nós a colocamos estendida, com maior área possível em contato com o ar. 

Influência da umidade do ar na velocidade de evaporização

Observa-se quanto maior for a umidade do ar, menor será a velocidade de evaporização da água. Em dia chuvoso, uma roupa molhada ou uma poça d´água demoram muito mais tempo para secar. De fato, estando o ar com grande quantidade de vapor d´água, há maior probabilidade de moléculas desse vapor se incorporarem ao líquido, acarretando uma diminuição na velocidade de evaporação. Uma roupa seca mais depressa se estiver ventando, e mais lentamente se estiver em um quarto pequeno e fechado, onde a umidade do ar cresce rapidamente.

EBULIÇÃO

É a passagem TURBULENTA de uma substância da fase líquida para a de vapor ao receber calor de uma fonte, como a água fervente numa panela que está ao fogo. Antes de iniciar a ebulição, quando fornecemos calor a um líquido, aumentamos a energia cinética média de suas partículas, isto é, aumentamos sua temperatura. Algumas partículas adquirem energia suficiente para escapar do líquido e passar à fase gasoso. A partir daí, o calor fornecido é utilizado para romper as ligações entre as partículas e não para aumentar sua energia cinética. Por isso, a temperatura permanece constante. Aumentando-se a pressão externa sobre o líquido, sua temperatura de ebulição se eleva, pois suas partículas necessitam de mais energia cinética para que ocorra a mudança de estado. De modo análogo, diminuindo-se a pressão sobre o líquido, sua temperatura de ebulição torna-se mais baixa, pois há menos resistência a ser vencida pelas partículas do líquido que se soltam. 

Ex: Um exemplo muito utilizado é nas panelas de pressão, nos quais os alimentos são cozidos mais rapidamente. As tampas dessas panelas impedem que escape o vapor formado durante o aquecimento da água. Esses vapores exercem sobre a superfície da água uma pressão superior a 1 atm e portanto, ela só entrará em ebulição a uma temperatura acima de 100ºC. Esta temperatura mais elevada do ambiente que envolve o alimento faz com que ele seja cozido mais depressa.  

UMIDADE DO AR

Em virtude da evaporização, há sempre uma certa quantidade de vapor de água presente no ar atmosférico. A quantidade de vapor em um certo volume de ar é variável. Por exemplo: colocando-se em uma sala fechada um recipiente contendo água, percebemos que pouco a pouco o nível dessa água vai se reduzindo, em virtude de sua evaporização. Depois de um certo tempo, observa-se que o nível da água não sofre mais alterações, isto é, não há mais evaporização do líquido. Dizemos que o ar da sala está saturado de vapor de água. Na realidade, várias moléculas continuam a abandonar o líquido, mas como a quantidade de vapor na atmosfera é muito grande, um número igual de moléculas de água do ar incorpora-se novamente ao líquido. Por isso, a evaporação se interrompe. 

Para calcular a umidade relativa calcula-se da seguinte forma: massa de vapor d'água no ar/ massa de vapor d'água no ar saturado. Os aparelhos usados para medir a umidade do ar são denominado higrômetro e funcionam com base em propriedades de algumas substâncias que se alteram quando absorvem umidade. 

DIAGRAMA DE FASES

O diagrama de fases de uma substância é um gráfico que representa as curvas de fusão, vaporização e de sublimação conjuntamente. 

Substância que aumenta de volume ao fundir

Substância que diminui de volume ao fundir

Ponto triplo: representa as condições de temperatura e pressão para as quais as fases sólida, líquida e gasosa coexistem em equilíbrio. O gráfico mostra que podemos varia a fase de uma substância por meio de variação de pressão, de temperatura ou de ambas.

Ex: Uma substância pode passar da fase sólida para a fase líquida das seguintes maneiras:

1. diminuir-se a pressão e mantendo-se a temperatura;
2. aumentando-se a temperatura e mantendo-se a pressão;
3. aumentando-se a temperatura e diminuindo-se a pressão.

GÁS E VAPOR

Em meados do século XIX, os físicos já sabiam que a condensação do vapor não dependia apenas da temperatura, mas também da pressão aplicada. Por meio de experimentos verificou-se que há um valor de temperatura e pressão, chamado de ponto crítico, em que o vapor não passa mais para o estado líquido mesmo variando a pressão. 

O ponto crítico foi possível estabelecer uma diferença entre gás e vapor:

• Gás é a substância que na fase gasoso se encontra em temperatura superior à sua temperatura crítica e que não pode ser liquefeita por compressão isotérmica.
• Vapor é a substância que na fase gasosa se encontra em temperatura inferior à crítica e que pode ser liquefeito por compressão isotérmica.

CURVAS DE AQUECIMENTO E DE RESFRIAMENTO

As curvas de aquecimento e de resfriamento são gráficos que mostram como a temperatura de um corpo varia em função da quantidade de calor trocada por ele. 

Calor liberado pela substância

Calor absorvido pela substância