Física 2 Uma Abordagem Estratégica Termodinamica, Optica Randall D. Knight (2009, Bookman)

Física 2 Uma Abordagem Estratégica Termodinamica, Optica Randall D. Knight (2009, Bookman)


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a fase líquida. Cientificamente, essas 
são as fases sólida, líquida e gasosa do composto denominado água. Por motivos de 
clareza, usaremos o termo água no sentido científico de uma coleção de moléculas 
de H20 e o termo líquido ou água líquida para nos referirmos à fase líquida. ..,. 
A energia térmica de um sólido é a energia cinética da totalidade de seus átomos em 
vibração mais a energia potencial das ligações moleculares comprimidas e distendidas. 
A fusão ocorre quando a energia térmica é tão grande que m; ligações moleculares co-
meçam a se quebrar, permitindo que os átomos se movimentem. A temperatura na qual 
um sólido se toma um líquido ou, se a energia térmica for reduzida, na qual um líquido 
se toma um sólido é chamada de ponto de fusão ou ponto de congelamento. Fusão e 
solidificação são mudanças de fase. 
Um sistema no ponto de fusão está em equilibrio de fases, o que significa que qual-
quer quantidade de sólido pode coexistir com qualquer quantidade de líquido. Um ligei-
ro aumento da temperatura fará com que todo o sistema se torne líquido, e uma ligeira 
diminuição da temperatura tornará sólido o sistema inteiro. Porém, exatamente no ponto 
(a) 
(b) O vapor 
T (ºC) A temperatura é constante está 
enquanto o sistema muda aquecendo. 
de 100% sólido para 100% / 
líq_~.rº· ~ 
150 
100 
50 
o 
-50 
A Lempenitura é constante 
\u2022 enquanto o sistema muda 
de 100% líquido para 
100% gás . 
..._.....,_ __ __,.,.____,=--- --Tempo 
O gelo está A água líquida 
derretendo. está aquecendo. 
FIGURA 16.3 A temperatura em função do 
tempo enquanto a água é transformada de 
sólido para líquido e de líquido para gás. · 
488 Física: Um a Abordagem Estratégica 
p (atm) 
ÚQllOO 
218 
Ponto 
/crítico 
~Ebulição 
- -- ----
/ , 
p (arm) 
' 1 
G.ÁS 
Água 
100 ,374 
Sólido e líquido 
e.~lão cm equilíbrio 
de fases. 
Líquido e gás 
estão em equilí-
brio de fases. 
SÓLIDO\ LfQt.:IDO f Ponto 
/crítico 
73 ········~ f 
5 GÁS 
- 78 - 56 31 
Dióxido de carbono 
FIGURA 16.4 Diagramas de fase (nao em 
escala) para água e dióxido de carbono. 
de fusão o sistema não apresenta tendência de se transformar de uma forma ou de outra. 
É por isso que a temperatura permanece constante no ponto de fusão até que a mudança 
de fase esteja completa. 
Pode-se ver a mesma coisa acontecendo na Figura 16.3b a l OOºC, o ponto de ebu-
lição. Trata-se de um equilfbrio de fases entre a fase líquida e a fase gasosa, e qualquer 
quantidade de líquido pode coexistir com qualquer quantidade de gás a esta temperatura. 
Acima dela, a energia térmica é alta demais para que as ligações se estabeleçam entre as 
moléculas, de modo que o sistema é um gás. Se sua energia térmica for reduzida, a5 mo-
léculas começarão a se ligar umas às outras, permanecendo juntas. Em outras palavras, 
o gás se condensa em líquido. A temperatura na qual um gás se toma líquido ou, se a 
energia térmica for aumentada, na qual um líquido se toma gasoso é chamada de ponto 
de condensação ou ponto de ebulição. 
NOTA ... A água líquida torna-se gelo sólido a OºC, mas isso não significa que a tem-
peratura do gelo seja sempre OºC. O gelo aúnge a temperatura de seu ambiente. Se a 
temperatura do ar em um congelador for -20ºC, a temperatura do gelo será também 
-20ºC. Sinúlarmentc,.o vapor pode ser aquecido a temperaturas acima de l OOºC. 
Isso não acontece quando fervemos água no fogão porque o vapor escapa, mas ele 
pode ser aquecido muito acima de lOOºC em um recipiente vedado. ~ 
Usa-se um diagrama de fase para mostrar como as fases e as mudanças de fase de 
uma substância variam com a temperatura e a pressão. A FIGURA 16.4 mostra os diagra-
mas de fase para a água e o dióxido de carbono. Pode-se ver que cada diagrama está di-
vidido em três regiões correspondentes aos estados sól ido, líquido e gasoso. As linhas 
limítrofes que separam as regiões indicam as u·ansições de fase. O sistema está em equi-
líbrio de fases em um ponto de pressão-temperatura que pertence a uma dessas linhas. 
Diagramas de fase contêm uma variedade de informações. Observe no diagrama de 
fase da água que a linha pontilhada em p = 1 atm atravessa a fronteira sólido-líquido a 
OºC e a fronteira líquido-gás a 1 OOºC. Essas temperaturas bem-conhecidas de pontos de 
fusão e de ebulição correspondem somente à pressão atmosférica padrão. Pode-se ver 
que, em Denver, EUA, onde Pan\u2022 < 1 atm, a água sólida derrete a uma temperatura ligei-
ramente maior do que OºC e ferve a uma temperatura abaixo de lOOºC. Uma panela de 
pressão funciona fazendo com que a pressão interna exceda l atm. Isso aumenta a tem-
peratura do ponto de ebulição, de modo que os alimentos mergulhados na água fervente 
fiquem a uma temperatura maior do que lOOºC e, assim, cozinhem mais rapidamente. 
Em geral, atravessar a fronteira sólido-líquido corresponde à fusão ou à solidificação, 
ao passo que atravessar a fronteira líquido-gás corresponde à ebulição ou à condensação. 
Contudo, há uma outra possibilidade - atravessar a fronteira sólido-gás. A mudança de 
fase na qual um sólido se toma um gás é chamada de sublimação. Não se trata de uma 
experiência cotidiana para o caso da água porque ela sublima somente a pressões bem 
menores do que a pressão atmosférica. (Isso de fato ocorre em uma câmara a vácuo, que 
é como os alimentos a vácuo são submetidos à desidratação a frio.) Mas você está fami-
liarizado com a sublimação do gelo seco. Este material é o dióxido de carbono sólido. 
Pode-se ver no diagrama de fase do dióxido de carbono que a linha pontilhada em p = 
1 atrn atravessa a fronteinr sólido-gás, em vez da fronteira sólido-líquido, a T = - 78ºC. 
Esta é a temperatura de sublimação do gelo seco. 
O dióxido de carbono líquido também existe, mas somente a pressões maiores do 
que 5 atm e a temperaturas maiores do que - 56ºC. Um extintor de incêndio de C02 
contém dióxido de carbono líquido sob alta pressão. (Você pode ouvir o líquido se agitar 
ao sacudir um extintor de incêndio de C02.) 
Uma diferença importante entre os diagramas de fase da água e do dióxido de car-
bono é a declividade da fronteira sólido-líquido. Para a maioria das substâncias, a .fase 
sólida é mais densa do que a líquida, e esta fase é mais densa do que a fase gasosa. A 
pressurização da substância a comprime e aumenta sua densidade. Se você começar a 
comprimir gás C02 à temperatura ambiente, movendo-o, então, para cima, ao longo de 
uma linha verúcal através do diagrama de fase. primeiro o condensará em líquido e, 
eventualmente, se mantiver a compressão, o transformará em sólido. 
A água é uma substância muito incomum, pois a densidade do gelo é menor do que 
a densidade da água líquida. É por isso que o gelo flutua. Se você comprimir o gelo, 
CAPÍTULO 16 \u2022 Uma Descrição Macroscópica da Matéria 489 
tomando-o mais denso, acabará por causar uma transição de fase na qual ele se trans-
formará em água líquida! Conseqüentemente, a fron teira sólido-líquido para a água tem 
declividade para a esquerda. 
A fronteira líquido-gás termina em um ponto denominado ponto crítico. Abaixo 
do ponto crítico, üqÚido e gás são claramente distintos, e há uma mudança de fase se 
você passar de um para outro. Contudo, não há distinção clara entre líquido e gás a 
pressões ou temperaturas maiores do que as do ponto crítico. O sistema é um fluido, 
mas ele pode passar continuamente de alta para baixa densidade sem a ocorrência de 
uma mudança de fase. 
O ponto final de interesse no diagrama de fase é o ponto triplo, onde as fronteiras do 
diagrama de fase se encontram. Duas fases sempre estão em equilíbrio de fases ao longo 
das frontei1;as . O ponto triplo corresponde aos únicos valores de temperatura e pressão 
para os quais todos os estados podem coexistir em equilíbrio de fases, ou seja, quaisquer 
quantidades de sólido, líquido e gás podem coexistir