Mudanças de estado

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Mudanças de estado 
Prof. José Luiz Fernandes Foureaux 
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Estado físico 
Aspecto segundo o qual a matéria se nos apresenta, cada um dos quais é identificado por 
propriedades características. 
 
 
 
 
 
 
A água nos 3 estados físicos: Sólido, líquido e vapor (gasoso) 
Atenção: Vapor d’agua é invisível! Nuvens e névoas são gotículas de água (estado líquido) em 
suspensão na atmosfera. 
 
Fala-se atualmente em outros estados: Plasma, condensado de Bose-Einstein, condensado de 
Fermi, coloides, superfluidos, matéria estranha, cristal líquido... Neste capítulo vamos nos referir 
apenas aos 3 estados clássicos: sólido, líquido e gasoso. Para maiores informações veja o tópico 
“Para saber mais” no final deste capítulo. 
 
Propriedades macroscópicas 
São aquelas que são percebidas pelos sentidos: 
 
Estado sólido: forma e volume definidos 
Estado líquido: Volume definido, forma indefinida. 
Estado gasoso: Nem forma nem volume definidos. 
 
Propriedades microscópicas 
Não são percebidas pelos sentidos. Relacionam-se com as forças entre as partículas que 
constituem o corpo: 
 
Sólido: Força de atração maior que a força de repulsão 
Líquido: Força de atração da mesma ordem que a força de repulsão 
Gasoso: Força de repulsão maior que a força de atração. 
 
O estado físico em que determinada porção de matéria se encontra depende das condições de 
temperatura e pressão em que ela se ache. Variando tais condições aquela porção de matéria 
pode passar de um estado para outro. Diz-se que ocorreu uma mudança de estado. 
 
No gráfico P x T a seguir, o plano fica subdividido em diversas regiões (fase sólida, fase líquida, 
fase gasosa). As diferentes linhas são os pares (P, T) onde 2 estados coexistem, ou seja, onde 
ocorrem as mudanças de fase. O ponto triplo é o ponto em que os 3 estados coexistem (para a 
água corresponde a P = 611,73 Pa (aproximadamente 0,006 atm) e T = 273,16K (0,01ºC). O ponto 
crítico (para a água P = 22,1 Mpa e T = 374ºC) separa o vapor do gás. Acima da temperatura 
crítica não se consegue liquefazer a substância simplesmente aumentando-se a pressão. 
 
 
 
Substâncias diferentes possuem gráficos de aspecto semelhante, mas com os pontos triplo e 
crítico em posições diferentes. 
 
Tipos de mudança de estado 
 
Passagem de sólido para líquido: Fusão 
 
Pode ser: 
Fusão cristalina: O sólido passa diretamente a líquido – não existem estados 
intermediários. Exemplo: Derretimento do gelo. Sólidos que tem esse 
comportamento são chamados sólidos cristalinos. Têm uma estrutura regular. 
 
Fusão pastosa: O sólido amolece gradualmente, ficando difícil identificar 
quando o material deixou de ser sólido e se tornou líquido. Pode-se dizer que 
existem diversos estados intermediários entre o sólido e o líquido. Exemplos: 
Cera, plástico, vidro. Sólidos que têm esse comportamento são chamados 
sólidos amorfos. Não têm uma estrutura regular como a dos sólidos cristalinos. 
 
O processo inverso - passagem de líquido para sólido - é chamado solidificação. 
 
Passagem de líquido para vapor: Vaporização 
 
Pode ser: 
 
Evaporação: É um processo lento que ocorre em qualquer temperatura. 
 
Ebulição: Processo rápido, caracterizado pela formação de bolhas de vapor 
ainda no interior da massa líquida. 
 
Calefação: Processo violento, explosivo, que ocorre quando um líquido entra em 
contato com um sólido cuja temperatura está muito acima daquela de ebulição 
do líquido. 
 
 
 
O processo inverso – passagem de vapor para líquido – é chamado liquefação 
ou condensação. 
 
Passagem direta de sólido para vapor, sem passar no estado líquido : sublimação. 
 
O processo inverso – passagem de vapor para sólido – também é chamado 
sublimação. 
 
Leis da fusão cristalina 
 
1. O sólido se funde numa temperatura muito bem definida chamada ponto de fusão, cujo 
valor depende da pressão. 
2. Durante a fusão a temperatura permanece constante. O calor fornecido – calor latente 
de fusão – é usado para quebrar as ligações entre as partículas que constituem o sólido, 
e não para aumentar a temperatura. 
 
Ponto de fusão e o calor latente de fusão para alguns materiais: 
Material Ponto de fusão (ºC) Calor latente de fusão (cal/g) 
Chumbo 327 5,5 
Prata 960 25 
Estanho 232 15 
Enxofre 114 10 
Fósforo branco 44 5 
Água 0 80 
 
Vídeo: Ponto de fusão do gelo - https://www.youtube.com/watch?v=AJyKBu2QlCU 
 
Superfusão 
 
Um líquido resfriado lenta e cuidadosamente pode atingir uma temperatura abaixo do 
ponto de fusão sem passar ao estado sólido. O fenômeno é chamado superfusão. 
Qualquer perturbação faz com que o líquido todo se congele bruscamente. 
Porque o gelo sempre derrete a 0ºC, e a água nem sempre congela a 0ºC, o ponto zero 
para calibração de termômetros é o ponto de fusão do gelo, e não o ponto de 
congelamento da água. 
 
Vídeo: Água super-resfriada - https://www.youtube.com/watch?v=Fot3m7kyLn4 
 
Variação do volume e da densidade com a fusão 
 
A maioria dos materiais, ao se fundirem, aumentam de volume. A densidade diminui, e 
os fragmentos sólidos afundam no líquido. 
Alguns materiais diminuem de volume ao fundir. A densidade aumenta, e os fragmentos 
sólidos flutuam no líquido. É o caso da água, prata, bismuto, gusa. 
 
 
 
 
 
 
Força expansiva do gelo 
 
Quando se congela a água aumenta 1/11 do volume. Essa dilatação resulta em força 
considerável (até 1000 atm de pressão) caso a dilatação seja impedida. Isso, nos países 
frios, gera conseqüências tais como erosão de rochas, encanamentos que rebentam, 
etc. 
 
Vídeo: Água congelando numa garrafa -https://www.youtube.com/watch?v=z2nwiba0N0Y 
 
Influência da pressão 
 
Corpos que aumentam de volume ao fundir: Aumento de pressão eleva o ponto de fusão. 
Exemplo: Enxofre 
1 atm – 107ºC 
500 atm – 135ºC 
 
Corpos que diminuem de volume ao fundir: Aumento de pressão abaixa o ponto de fusão. 
Exemplo: água 
1 atm – 0ºC 
8 atm - -0,059ºC 
300 atm - -2ºC 
 
Regelo 
 
Nome dado por Faraday. Fenômeno descoberto por Tyndall. 
• 2 blocos de gelo pressionados um contra o outro e soltos ficam soldados. 
• Arame que atravessa bloco de gelo, deixando-o inteiro. 
• Deslocamento de geleiras 
• Patinação no gelo 
• A temperatura de fusão diminui 0,0072ºC para cada atm adicional. 250 atm de 
pressão acarretam redução de 4ºC na temperatura de fusão. 
 
Vídeo: Regelo - https://www.youtube.com/watch?v=gM3zP72-rJE 
 https://www.youtube.com/watch?v=qQCVnjGUv24 
 
Exercício 1 
Mistura-se 1 kg de gelo fundente com 5 kg de água a 80ºC. Qual a temperatura final? 
 
Exercício 2 
Quantas calorias devemos fornecer a 850 g de gelo a -5ºC para transformá-lo em água a 25ºC? 
cgelo = 0,5 cal/g.ºC e L = 80 cal/g 
 
Exercício 3 
1 litro de água a 4ºC é aquecido até 100ºC. Que massa de gelo fundente essa água é capaz de 
derreter ? 
 
 
 
 
 
Evaporação 
 
Exposto ao ar livre, um líquido desaparece pouco a pouco, tanto mais rapidamente 
quanto mais volátil. 
As moléculas de energia mais elevada escapam da massa líquida e passam para a 
atmosfera. 
A temperatura do líquido gradativamente diminui. 
Em recinto fechado à medida que a concentração de moléculas sobre a superfície 
aumenta o retorno à massa líquida também aumenta. Quando as 2 velocidades se 
igualam o processo fica em equilíbrio dinâmico. (Vapor saturante). Aumento de 
temperatura permite maior evaporação. Redução acarretamaior condensação. 
 
Leis da evaporação em recinto aberto 
 
• A evaporação é contínua, e só cessa quando todo o líquido evapora. 
• A velocidade de evaporação depende da volatilidade do líquido. 
• A velocidade de evaporação é proporcional à área de evaporação. 
• A velocidade de evaporação aumenta com a temperatura. 
• A velocidade de evaporação é proporcional à diferença entre a pressão máxima 
do vapor e a pressão atual do mesmo vapor na atmosfera. 
• A velocidade de evaporação cresce com a agitação do ar. 
• A velocidade de evaporação é inversamente proporcional à pressão 
atmosférica. 
 
Informações interessantes sobre vapor podem ser obtidas em 
http://www.tlv.com/global/LA/steam-theory/ 
 
Leis da ebulição (também chamada ebulição franca) 
 
1. A ebulição ocorre em temperatura bem definida, cujo valor depende da pressão. 
2. A temperatura permanece constante durante a ebulição. O calor fornecido (calor 
latente de vaporização) é usado para permitir que a molécula escape da massa de 
líquido. 
3. Durante a ebulição a pressão do vapor é igual à pressão da atmosfera acima do líquido. 
 
Vídeo: 
Substância Temp ebulição (ºC) Calor latente de vaporização 
Iodo 185 24 
Bromo 59 44 
Clorofórmio 61 61 
Mercúrio 357 77 
Sulfeto de carbono 46 85 
Éter sulfúrico 35,5 90 
Benzina 81 92 
Álcool 78,3 206 
Água 100 537 
 
 
 
Vídeo: A temperatura permanece constante durante a ebulição 
https://www.youtube.com/watch?v=qaHhJcJ_M30 
 
Influência da pressão 
 
Sem exceções (porque a passagem de líquido para vapor implica em aumento de volume 
para todas as substâncias!) abaixamento de pressão acarreta redução da temperatura 
de ebulição, e aumento de pressão acarreta elevação da temperatura de ebulição 
(panela de pressão) 
. 
P(atm) P(mmHg) T(ºC) Local Altitude T(ºC) 
0,006 4,6 0 Rio 0 100 
0,2 150 60 São Paulo 750 97 
1 760 100 La Paz 2240 92 
2 1500 120 Kilimanjaro 5895 82 
10 7600 180 Everest 8848 70 
Ebulição da agua a diversas pressões e altitudes 
 
Vídeo: Ebulição da água em diferentes altitudes no Everest - 
https://www.youtube.com/watch?v=JTL4dj3Gx1o 
 
Exercício 4 
Que quantidade de calor deve ser fornecida a 200 g de água a 30ºC para obter 200 g de vapor a 
120ºC? 
cágua = 1 cal/g.ºC 
cvapor = 0,5 cal/g.ºC 
LV = 540 cal/g 
 
Diagrama temperatura x calor 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Exercício 5 
Um vaso de massa 100 g confeccionado com material de calor específico 0,5 cal/g.ºC contém, a 
0ºC, 300 g de água e 50 g de gelo. Que massa de vapor a 100ºC deve ser injetada para que a 
temperatura final seja 20ºC? 
LF = 80 cal/g 
Ponto de ebulição 
Ponto de fusão 
fusão 
ebulição 
Calor 
latente 
Calor 
latente 
Calor 
sensível 
Calor 
sensível 
Calor 
sensível 
Temperatura 
Calor 
Calor sensível 
∆𝑄 = 𝑚. 𝑐. ∆𝑡 
Calor latente 
∆𝑄 = 𝑚. 𝐿 
 
 
LV = 540 cal/g 
 
Para saber mais: 
Plasma: http://pt.wikipedia.org/wiki/Plasma 
Condensado de Bose-Einstein: http://pt.wikipedia.org/wiki/Condensado_de_Bose-Einstein 
Condensado de Fermi: http://es.wikipedia.org/wiki/Condensado_fermi%C3%B3nico 
Coloides: http://pt.wikipedia.org/wiki/Coloide 
Superfluidos: http://pt.wikipedia.org/wiki/Superfluidez 
Matéria estranha: http://es.wikipedia.org/wiki/Materia_extra%C3%B1a 
Cristal líquido: http://pt.wikipedia.org/wiki/Cristal_l%C3%ADquido