Mudanças de estado físico

As substâncias podem mudar de estado físico (sólido, líquido, gasoso etc) e isso depende principalmente das condições de pressão e temperatura a que estão expostas.

Existem nomes que representam cada uma destas "passagens" entre estados físicos (mudanças de fase), veja abaixo quais são.

Imagine se pudéssemos ver as moléculas de gelo (água no estado sólido)

Com a pressão ambiente, que é de uma atmosfera (1 atm), a temperatura onde o fenômeno acima ocorre é de 0ºC.

Mas este fato não ocorre somente com o gelo.  Muitas outras substâncias cristalinas e homogêneas passam por isso, só que não exatamente na mesma temperaturas que a mostrada no exemplo acima.  Veja uma tabela com as temperaturas onde ocorre a fusão (passagem do estado sólido para o líquido) em algumas outras substâncias (sempre a pressão ambiente)

Nós sabemos que quem faz a vibração molecular (temperatura) aumentar é o calor recebido de alguma fonte externa (Sol, fogo, resistência elétrica etc).  Vamos então aprender a calcular a quantidade de calor (Q) necessária para que estas mudanças de estado ocorram.

Guarde bem uma coisa: 

"Quando a temperatura de uma substância está mudando, ela não pode estar ao mesmo tempo mudando de estado.  Por outro lado, quando uma substância está mudando de estado sua temperatura sempre permanecerá constante"

A energia fornecida pela fonte de calor à substância servirá para "quebrar" as ligações que mantinham as moléculas do sólido unidas, e não para aumentar a agitação das mesmas.  Veja na animação abaixo o gráfico da temperatura (T) em função da quantidade de calor (Q) fornecida à substância.  Neste exemplo, um bloco de gelo, com temperatura inicial de -5ºC, começou a receber calor de uma fonnte de calor.

Note que o calor recebido pelo gelo inicialmente fez com que sua temperatura aumentasse de -5ºC até 0ºC (ponto de fusão do gelo). Isto está representado pela parte  A  no gráfico.  Depois que a temperatura chegou a 0ºC, todo calor recebido serviu para derreter a quantidade de gelo em questão (mudança de fase), por isso a temperatura manteve-se constante.  Isto está representado pela letra  B  no gráfico.  Quando o gelo já estava totalmente derretido, ou seja, havia virado água no estado líquido, o calor recebido passou novamente a aumentar sua temperatura, como está representado na parte final do gráfico. Lembre-se:  quando o calor "quebra ligações" entre as moléculas, ocorre a mudança de estado, quando o calor aumenta a agitação das moléculas, ocorre um aumento de temperatura.

Cálculo da quantidade de calor necessária para a mudança de estado

Experimentalmente descobriu-se que, na pressão ambiente, eram necessárias 80 calorias para que 1g de gelo derretesse.  Ou seja, se eu quisesse que 1g de gelo mudasse do estado sólido para o líquido eu deveria fornecer ao mesmo 80 calorias.

Deu-se para este número o nome de calor latente de fusão (L_f) do gelo, e verificou-se que outras substâncias possuem valores diferentes para esta grandeza.  

"O calor latente de fusão (L_f) de uma substância qualquer é então a quantidade de calor (Q) necessária para que 1g desta substância passe do estado sólido para o estado líquido"

Unidades usadas

Duas unidades costumam ser usadas para representar esta grandeza: a  cal/g  e o  J/g.  Esta última pertence ao Sistema Internacional de Unidades (SI).

Veja abaixo uma tabela com valores do calor latente de fusão de várias substâncias.

A fórmula usada para resolver problemas que envolvam mudanças de estado é a seguinte: 

Obs:  As unidades sugeridas acima são as mais comuns.

Estudamos agora o caso da fusão.  A solidificação, que é a passagem do estado líquido para o sólido (processo inverso da fusão) ocorre nos mesmos valores da temperaturas de fusão, uma vez que é o processo inverso, e o calor latente de solidificação é igual ao calor latente de fusão, só que com o sinal trocado.  Para ocorrer a mudança do estado líquido para o sólido a substância precisa perder calor, e por isso o calor latente de solidificação (Ls) recebe um sinal negativo.   ( Lf = - Ls )

Tudo o que vimos para o caso da fusão, funciona mais ou menos da mesma maneira para a vaporização.  Existe uma temperatura certa onde as substâncias começam a passar do estado líquido para o gasoso (esta temperatura é chamada ponto de ebulição).  Veja este valor para algumas substâncias.

Na próxima tabela temos os valores da quantidade de calor necessária para fazer com que 1g de destas substâncias passe do estado líquido para o estado gasoso (calor latente de vaporização).

Tomando como exemplo o caso da água, precisamos de 540 calorias para fazermos com que 1g desta substância passe do estado líquido para o estado gasoso.

Estudamos agora o caso da vaporização.  A liquefação, ou condensação, que é a passagem do estado gasoso para o líquido (processo inverso da vaporização) ocorre nos mesmos valores da temperaturas de vaporização, uma vez que é o processo inverso, e o calor latente de liquefação é igual ao calor latente de vaporização, só que com o sinal trocado.  Para ocorrer a mudança do estado gasoso para o líquido a substância precisa perder calor, e por isso o calor latente de liquefação (Ll) recebe um sinal negativo.   ( Lv = - Ll )