Mudanças de fase (II)
Borges e Nicolau
Mudanças de fase ou estados de agregação
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Evaporação: processo espontâneo e lento que ocorre na superfície do líquido.
Ebulição: processo no qual há formação tumultuosa de bolhas, ocorrendo em toda massa líquida. A ebulição se verifica a uma determinada temperatura (temperatura de ebulição) que depende da pressão exercida sobre a superfície do líquido. Por exemplo, a água entra em ebulição a 100 ºC sob pressão normal (1 atmosfera).
Lei da mudança de fase
Sob pressão constante, durante a mudança de fase a temperatura permanece constante.
Calor latente (L)
Numericamente é a quantidade de calor que a substância troca (ganha ou perde), por unidade de massa, durante a mudança de estado, mantendo-se constante a temperatura.
Unidade: cal/g
Quantidade de calor trocada durante a mudança de estado por uma massa m de uma substância.
Q = m.L
Curva de aquecimento da água
A: aquecimento do gelo
B: fusão do gelo a 0 ºC
C: aquecimento da água líquida
D: vaporização da água líquida a 100 ºC
E: aquecimento do vapor Lf
Calor latente de fusão do gelo (Lf) e de vaporização da água (Lv)
Imaginemos uma certa quantidade de gelo a -20 ºC, ao nível do mar, sendo aquecido por uma fonte de calor de potência constante. A temperatura do gelo sobe até atingir 0 ºC. Nessa condição começa o processo de fusão e o calor recebido é usado apenas para quebrar a cadeia cristalina, não havendo aumento de temperatura. Enquanto ocorre a fusão o gelo precisa de 80 calorias para cada grama, para ser transformado em água. Dizemos então que o calor latente de fusão do gelo Lf é igual a 80 cal/g.
Caso a massa de gelo, a 0 ºC, fosse igual a 100 g, para transformá-la em água seriam necessárias 8000 cal.
Q = m.Lf => Q = 100.80 => Q = 8000 cal
Uma vez transformada em água e continuando a receber calor, a massa que inicialmente era gelo terá a agitação térmica das moléculas aumentada até atingir a temperatura de ebulição (100 ºC) quando ocorre a vaporização. Para cada grama de água que passa para a fase gasosa (vapor) são necessárias 540 calorias. Dizemos então que o calor latente de vaporização da água, Lv é igual a 540 cal/g.
Para vaporizar 100 g de água a 100 ºC são necessárias 54000 cal.
Q = m.Lv => Q = 100.540 => Q = 54000 cal
Animações:
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Os estados físicos da matéria e mudanças de fase.
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Você pode visualizar as temperaturas de fusão e de ebulição dos diversos elementos da tabela periódica. Em azul, sólidos; em amarelo, líquidos e em vermelho, gases. Com o mouse, arraste o cursor, a partir da esquerda e verifique a temperatura de mudança de estado.
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Os estados físicos da matéria
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Curva de aquecimento
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Exercícios básicos
Exercício 1:
No interior de uma cavidade existente num grande bloco de gelo, à temperatura de
0 °C, é colocada uma pequena esfera de ferro de massa 100 g à temperatura de
40 °C. Desprezadas as perdas de calor para o ambiente, determine a quantidade de água que se forma na cavidade quando se estabelece o equilíbrio térmico. O calor específico do ferro é 0,113 cal/g.ºC e o calor latente de fusão do gelo é 80 cal/g.
Resolução: clique aqui
Qfusão + Qferro = 0 => m.Lf + (m.c.Δθ)ferro = 0 =>
m.80 + 100.0,113.(0-40) = 0 => m = 5,65 g
Resposta: 5,65 g
Exercício 2:
Uma esfera de cobre de massa 270 g e à temperatura de 200 ºC é colocada num recipiente contendo água em ebulição a 100 ºC. Atingido o equilíbrio térmico, observa-se que ainda existe água no recipiente. Qual é a massa de água que vaporizou?
Dados:
calor específico do cobre 0,094 cal/g.ºC
calor latente de vaporização da água 540 cal/g.
Resolução: clique aqui
Como existe água no recipiente e somente parte vaporizou, concluímos que a temperatura de equilíbrio térmico é 100 ºC.
Qcobre + Qvaporização = 0 => m.c.Δθ + m.Lv = 0 =>
270.0.94.(100-200) + m.540 = 0 => m = 4,7 g
Resposta: 4,7 g
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Exercício 3:
Quantos bloquinhos de gelo, cada um de massa 10 g à temperatura
de 0 ºC, devem ser colocados em 240 g de água a 60 ºC, para que a temperatura final de equilíbrio, desprezadas as perdas, seja de 40 ºC?
Dados:
calor específico da água 1,0 cal/g.ºC
calor latente de fusão do gelo 80 cal/g.
Resolução: clique aqui
Qfusão + Qágua1 + Qágua2 = 0 =>
N.10.80 + N.10.(40-0) + 240.2,0.(40-60) = 0 => N = 4
Resposta: 4 bloquinhos
Exercício 4:
Qual é a quantidade de calor necessária para transformar 50 g de gelo a -20 ºC em vapor de água a 110 ºC?
São dados:
calor específico do gelo: 0,50 cal/g.ºC
calor específico da água: 1,0 cal/g.ºC
calor específico do vapor de água: 0,45 cal/g.ºC
calor latente de fusão do gelo: 80 cal/g
calor latente de vaporização da água: 540 cal/g
Faça, a seguir, o gráfico da temperatura θ em função da quantidade de calor Q,
representando todas as etapas do processo (curva de aquecimento).
Resolução: clique aqui
Q = Qgelo + Qfusão + Qágua + Qvaporização + Qvapor
Q = (m.c.Δθ)gelo +m.Lf + (m.c.Δθ)água + m.Lv + (m.c.Δθ)vapor
Q = 50.0,50.[0-(-20)] + 50.80 + 50.1,0.(100-0) + 50.540 + 50.0,45.(110-100)
Q = 500 + 4000 + 5000 + 27000 + 225
Q = 36725 cal
Respostas:
Q = 36725 cal
Gráfico acima
Exercício 5:
Num calorímetro de capacidade térmica desprezível são misturados uma massa m de gelo a -20 ºC com 90 g de água a 20 ºC. Determine, em cada caso abaixo, o valor de m para que no equilíbrio térmico tenha somente:
a) água a 0 ºC
b) gelo a 0 ºC
c) água a 10 ºC
d) gelo a -10 ºC
Dados:
calor específico do gelo: 0,50 cal/g.ºC
calor específico da água: 1,0 cal/g.ºC
calor latente de fusão do gelo: 80 cal/g
calor latente de solidificação da água: -80 cal/g
Despreze as perdas de calor para o meio exterior.
Resolução: clique aqui
a)
b)
c)
d)
Respostas:
a) 20 g
b) 900 g
c) 9 g
d) 1890 g
Exercícios de revisão
Revisão/Ex 1:
(UNIFESP)
O gráfico representa o processo de aquecimento e mudança de fase de um corpo inicialmente na fase sólida, de massa igual a 100 g.
Sendo Q a quantidade de calor absorvida pelo corpo, em calorias, e T a temperatura do corpo, em graus Celsius, determine:
a) o calor específico do corpo em cal/(g.ºC), na fase sólida e na fase líquida.
b) a temperatura de fusão, em ºC, e o calor latente de fusão, em calorias, do corpo.
Resolução: clique aqui
a)
Fase sólida
Q1 = m.cs.Δθ1
400 = 100.cs.40
cs = 0,10 cal/g.ºC
Fase líquida
Q2 = m.cL.Δθ2
400 = 100.cL.40
cL = 0,20 cal/g.ºC
b) Conforme o gráfico, a fusão ocorre na temperatura θF = 40 ºC
A quantidade de calor latente, em calorias, associada ao processo
de fusão do material é Q3 = 400 cal
Cálculo do calor latente de fusão:Q3= m.LF => 400 = 100.LF => LF = 4,0 cal/g
Respostas:
a) cs = 0,10 cal/g.ºC; cL = 0,20 cal/g.ºC
b) 40 ºC; 400 cal e 4,0 cal/g
Revisão/Ex 2:
(Fuvest-SP)
Determinada massa de uma substância, inicialmente no estado sólido, encontra-se num recipiente. Um elemento aquecedor, que lhe fornece uma potência constante, é ligado no instante t = 0 e desligado num certo instante. O gráfico indica a temperatura θ da substância em função do tempo.
a) Em que instante o aquecedor foi desligado e em que intervalo de tempo a substância está totalmente sólida?
b) Descreva que fenômeno físico está ocorrendo no trecho BC e que fenômeno físico está ocorrendo no trecho EF.
Resolução: clique aqui
a) Do gráfico observamos que a substância, inicialmente sólida, recebeu calor, mudou de fase (patamar) e sua temperatura continuou aumentando na fase líquida. A partir do instante em que cessou o fornecimento de calor a temperatura da substância começou a diminuir. Isso ocorreu no instante t = 15 min.
A substância permaneceu totalmente sólida entre os instantes 0 e 5 min.
b) No trecho BC ocorreu a fusão da substância. No trecho EF houve solidificação da substância que se encontrava na fase líquida.
Respostas:
a) t = 15 min; entre 0 e 5 min.
b) BC - fusão; EF - solidificação
Revisão/Ex 3:
(Mackenzie)
Uma das características meteorológicas da cidade de São Paulo é a grande diferença de temperatura registrada em um mesmo instante em diversos pontos do município. Segundo dados do Instituto Nacional de Meteorologia, a menor temperatura registrada nessa cidade foi -2 ºC, no dia 2 de agosto de 1955, embora haja algumas indicações, não oficiais, de que, no dia 24 de agosto de 1898, registrou-se a temperatura de -4 ºC. Em contrapartida, a maior temperatura teria sido 37 ºC, medida em 20 de janeiro de 1999. Considerando-se 100 g de água sob pressão atmosférica normal, inicialmente a -4 ºC, para chegar a 37 ºC, a quantidade de Energia Térmica que esta massa deverá receber é:
a) 11,3 kcal
b) 11,5 kcal
c) 11,7 kcal
d) 11,9 kcal
e) 12,1 kcal
Dados: águaf
calor latente de fusão (Lf) => 80 cal/g
calor específico no estado sólido (c) => 0,50 cal/(g.ºC)f
calor específico no estado líquido (c) => 1,0 cal/(g.ºC)
Resolução: clique aqui
Q = Qgelo + Qfusão + Qágua =>
Q = 100.0,50.[0-(-4)] + 100.80 + 100.1,0.(37-0)f
Q = 11900 cal = 11,9 kcal
Resposta: d
Revisão/Ex 4:
(UFT-Tocantins)
Considere que os calores específicos do gelo e da água são constantes e valem 2,05.103 J/(kg.K) e 4,18.103 J/(kg.K) respectivamente. O calor latente de fusão e o calor latente de vaporização da água são 333,5.103 J/kg e 2257.103 J/kg respectivamente.3Baseado nestas informações, pode-se dizer que o valor que melhor representa a3quantidade mínima de calor necessária para transformar 10 g de gelo a 0 ºC, sujeito a3uma pressão de 1 atm, em vapor, é de:
(A) 22,57.103 J
(B) 52,07.103 J
(C) 42,18.103 J
(D) 30,09.103 J
(E) 35,05.103 J
Resolução: clique aqui
Q = Qfusão + Qágua+ Qvaporização =>
Q = 0,01.333,5x103 + 0,01.4,18x103.100 + 0,01.2257x103
Q = 30,085x103 J
Resposta: D
Revisão/Ex 5:
(UFAC)
Em geral, a temperatura do corpo humano é constante e igual a 37 ºC. A hipotermia é caracterizada pela redução da temperatura padrão de nosso corpo. A Medicina faz o uso controlado da hipotermia, em determinadas cirurgias cerebrais e cardíacas. Esse procedimento diminui o consumo de oxigênio do cérebro e do coração, bem como reduz a chance de danos ocasionados pela falta de circulação do sangue. Suponha que um paciente, de massa 60 kg, seja submetido a uma cirurgia do coração. A temperatura inicial de seu corpo é
37 ºC e pretende-se diminuí-la para 30 ºC. Considere o calor específico do corpo humano igual a 1,0 cal/g.ºC e o calor latente de fusão do gelo igual a 80 cal/g. A massa mínima de gelo necessária para diminuir a temperatura do paciente até 30 ºC é:
a) 10 g
b) 4,25 g
c) 4,25 kg
d) 5,25 g
e) 5,25 kg
Resolução: clique aqui
Seja m massa de gelo mínima necessária. Ao sofrer fusão o gelo retira calor do corpo do paciente. Devemos ter:
IQfusãoI = IQpacienteI
m.80 = 60000.1,0.(37-30) => m = 5250 g => m = 5,25 kg
Resposta: e
Resposta: e
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