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CIÊNCIAS DA NATUREZA E SUAS TECNOLOGIAS F B O N L I N E . C O M . B R ////////////////// Professor(a): Douglas gomes assunto: estaDos Físicos Da matéria frente: Física iii OSG.: 118269/17 AULA 06 EAD – MEDICINA Resumo Teórico Estados físicos da matéria fusão Sólido VaporLíquido solidificação condensação ou liquefação vaporização sublimação sublimação endotérmico: recebe calor exotérmico: cede calor u o qíq o í çãã Lí açcacasolidific çãçãaçacasolidificaçacasolidific LL açacasolidific fusão SólSóló idido 199-11-JL-FV Calor latente de mudança de fase Quando se fornece calor a um corpo, a temperatura dele aumenta até atingir a temperatura de mudança de estado. A partir daí, o calor fornecido é utilizado para alterar a organização microscópica, ou seja, o estado de agregação das moléculas, modificando apenas o valor da energia potencial, mas não a energia cinética das moléculas. A fusão dos sólidos de estrutura cristalina e a ebulição dos líquidos, em geral, obedecem a três leis básicas: 1. Para uma determinada pressão, cada substância possui uma temperatura de fusão e outra de ebulição. 2. Para uma mesma substância, as temperaturas de fusão e de ebulição variam com a pressão. 3. Se durante a fusão ou a ebulição de uma substância a pressão permanecer constante, sua temperatura também permanecerá constante. O calor latente (L) de uma substância é a quantidade de calor (Q), por unidade de massa (m), necessária para efetuar a transição de fase. Assim, o calor necessário para efetuar a mudança de fase de um corpo é diretamente proporcional à sua massa. Logo, matematicamente: Q = m transformada · L • Unidades de L: Usual: cal/g S.I.: J/kg Atente para o sinal de L: L > 0 quando ocorre absorção de calor. L < 0 quando ocorre liberação de calor. Para a água, os valores são, a 1 atm: L fusão 80 cal/g L solidificação –80 cal/g L vaporização 540 cal/g L liquefação –540 cal/g Diagrama de aquecimento da água T(ºC) Q 100 0 –20 L + V S + L fusão vaporização Líq uid o Va po r Só lid o FUSÃO Recebe Q 1 Calor sensível Gelo -20 ºC Gelo 0 ºC Água 0 ºC Água 100 ºC Vapor 100 ºC Vapor 120 ºC Calor latente Calor sensível Calor latente Calor sensível Recebe Q 2 Recebe Q 3 Recebe Q4 Recebe Q5 VAPORIZAÇÃO (ebulição) Diagrama de resfriamento da água T(ºC) 100 0 –20 vapor líquidocondensação ou liquefação líquido + sólido solidificação |Q|sólido vapor + líquido Sobrefusão ou superfusão No resfriamento de um líquido, eventualmente podem ser atingidas temperaturas abaixo da que corresponde à de solidificação da substância, e ainda assim a substância se mantém líquida. 2F B O N L I N E . C O M . B R ////////////////// Módulo de estudo OSG.: 118269/17 N a s o b r e f u s ã o (ou superfusão) , uma substância encontra-se no estado líquido abaixo da sua temperatura de solidificação. A sobrefusão é um estado de equilíbrio metaestável, ou seja, em que existe aparentemente equilíbrio, mas há passagem muito lenta para outro estado. Uma simples agitação, ou mesmo a introdução de uma pequena porção sólida, perturba o fenômeno e provoca uma brusca solidificação parcial ou total do líquido. A temperatura eleva-se até o ponto de solidificação. Essa elevação de temperatura ocorre porque a queda de energia potencial (característica da solidificação) é compensada pelo aumento da energia cinética das moléculas. Vulgarmente, a perda de “calor erroneamente sensível” torna-se perda de calor “latente”. Na figura abaixo: o tiossulfato em sobrefusão (líquido a 37 °C, quando a temperatura de fusão é 47 °C). Quando agitado, solidifica-se parcialmente e retorna rapidamente à temperatura de fusão. Fe rn an do L an g da S ilv ei ra / U FR G S Superebulição Quando aquecemos lentamente um líquido sem perturbá-lo, é possível que ele atinja temperaturas acima do ponto de ebulição sem apresentar essa ebulição. Esse é um estado metaestável e, caso ocorra alguma perturbação, pode-se observar uma súbita ebulição (superebulição), havendo conversão da energia de agitação térmica em energia de desagregação. Assim, parte do líquido vaporiza-se, retornando o sistema à temperatura normal de ebulição. É possível fazer isso com água de torneira aquecendo-se em micro-ondas. Não é indicado fazê-lo no fogão porque a convecção (com movimento das moléculas) perturba o sistema. O professor Lang, da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, conseguiu aquecer a água no micro-ondas, mantendo-a líquida a 106 graus Celsius; contudo, ao introduzir uma colher nesse copo, provocou a ebulição súbita e intensa de parte do líquido, fazendo o sistema retornar a 100 graus Celsius. Instituto de Física – UFRGS Líquido aquecido no forno de micro- -ondas pode se apresentar em estado de superaquecimento, isto é, atingir temperaturas superiores à temperatura de ebulição sem que ocorra a ebulição. Quando o aquecimento é realizado sobre uma chama, as correntes de convecção perturbam suficientemente o sistema para que ferva assim que é atingida a temperatura de ebulição. O estado superaquecido é metaestável, ou seja, sendo perturbado evoluirá para um estado de energia potencial mais baixa. Entretanto, a fotografia da figura 1 mostra a ponteira de um termômetro introduzida Fe rn an do L an g da S ilv ei ra / U FR G S Figura 1 T(ºC) T Solidificação Q (cedido) na “água de torneira” superaquecida em um forno de micro-ondas sem que esta perturbação destrua o estado metaestável. Nas fotografias da figura 2 veem-se explosões da água superaquecida em decorrência da perturbação causada pela introdução de uma colher no líquido. A água irrompeu em intensa ebulição, uma parte do líquido passando repentinamente para o estado de vapor, e, em consequência do repentino aumento de volume, lançou para fora do recipiente água fervente. Fe rn an do L an g da S ilv ei ra / U FR G S Figura 2 Vaporização Vaporização é o nome dado à passagem da substância do estado líquido para o estado gasoso, podendo ocorrer de três formas: evaporação, calefação e ebulição. A evaporação acontece com l íquidos a qualquer temperatura, mas especificamente em sua superfície livre. É o caso, por exemplo, da água líquida colocada em um prato que após algum tempo desaparece, ou seja, transforma-se em vapor e mistura-se à atmosfera. Já a calefação é um processo rápido de vaporização, que ocorre quando há um aumento violento de temperatura. É o que acontece quando colocamos água em pequenas quantidades em uma frigideira bem quente. Ela vaporiza de modo brusco, quase instantâneo. A ebulição é a vaporização que acontece a uma determinada temperatura. Evaporação Esse processo ocorre na superfície livre do líquido. As moléculas do líquido apresentam diferentes energias: algumas estão mais agitadas, e outras, menos. Quando as moléculas mais agitadas colidem com as menos agitadas, transferem parte de sua energia para elas. Quando as moléculas da superfície conseguem ganhar energia cinética suficiente, acabam por se libertar da superfície do líquido: evaporam! Note que essas moléculas que conseguem se libertar, o fazem porque conseguiram energia das demais moléculas que sobraram no líquido. Assim, as moléculas que sobraram no líquido ficam menos energéticas: diminuem de temperatura! Assim, o processo de evaporação resfria o líquido remanescente! Fatores que influenciam na velocidade de evaporação: • Quanto maior a pressão atmosférica, menor será a velocidade. Isso ocorre porque a atmosfera, pressionando a superfície do líquido, dificulta a vaporização; 3 F B O N L I N E . C O M . B R ////////////////// OSG.: 118269/17 Módulo de estudo • Quanto mais o líquido for volátil, maior será a velocidade; • Quanto maior a área de contato com o ar, maior a velocidade. Isso ocorre porque maior área livre significa mais moléculas nessa superfície, aumentando a probabilidade de haver moléculas “escapando” dasuperfície do líquido; • Quanto maior for a temperatura do líquido, maior a velocidade. Isso ocorre porque moléculas mais agitadas têm maior velocidade e têm maior facilidade de “escapar”; • Quanto mais úmido (maior a pressão parcial do vapor) estiver o ar, menor será a velocidade. Isso vai acontecer porque, com o ar mais úmido, haverá a possibilidade de moléculas de vapor presentes no ar aderirem à superfície do líquido, condensando. Mais energéticas: evaporando Moléculas de vapor com pouca energia: voltam ao líquido. Moléculas com pouca energia permanecem no líquido.020 6- 11 -J L- FV Exercícios 01. (IFSUL/2011) Muitas pessoas gostam de café, mas não o apreciam muito quente e têm o hábito de adicionar um pequeno cubo de gelo para resfriá-lo rapidamente. Deve-se considerar que a xícara tem capacidade térmica igual a 30 cal/ºC e contém inicialmente 120 g de café (cujo calor específico é igual ao da água, 1 cal/g∙ºC) a 100 ºC e que essa xícara encontra-se em equilíbrio térmico com o líquido. Acrescentando-se uma pedra de gelo de 10 g, inicialmente a 0 ºC, sendo que o calor latente de fusão do gelo vale 80 cal/g, após o gelo derreter e todo o sistema entrar em equilíbrio térmico, desprezando-se as perdas de calor para o ambiente, a temperatura do café será igual a: A) 86,15 ºC B) 88,75 ºC C) 93,75 ºC D) 95,35 ºC 02. (PUC-PR – Adaptada) Uma fonte de energia (térmica), de potência constante e igual a 20 cal/s, fornece calor a uma massa sólida de 100 g. O gráfico a seguir mostra a variação de temperatura em função do tempo: 150 q (ºC) 150 170 t(s) 50 500 A) Qual o valor do calor específico sensível dessa substância do estado sólido? B) Qual o valor do calor específico latente de fusão dessa substância? C) Qual o valor do calor específico sensível dessa substância do estado líquido? 03. (UFF-RJ) Ao usar um ferro de passar roupa, uma pessoa, em geral, umedece a ponta do dedo em água antes de encostá-lo rapidamente na base aquecida do ferro, para testar se ela já está suficientemente quente. Ela procede dessa maneira, com a certeza de que não queimará a ponta do dedo. Isso acontece porque, em relação aos demais líquidos, a água tem: A) um baixo calor específico. B) um comportamento anômalo na sua dilatação. C) uma densidade que varia muito ao se evaporar. D) uma elevada temperatura de ebulição. E) um elevado calor latente de vaporização. 04. (UFRGS/2014) Materiais com mudança de fase são bastante utilizados na fabricação de tecidos para roupas termorreguladoras, ou seja, que regulam sua temperatura em função da temperatura da pele com a qual estão em contato. Entre as fibras do tecido, são incluídas microcápsulas, contendo, por exemplo, parafina, cuja temperatura de fusão está próxima da temperatura de conforto da pele, 31 °C. Considere que um atleta, para manter sua temperatura interna constante enquanto se exercita, libere 1,5 × 104 J de calor através da pele em contato com a roupa termorreguladora e que o calor de fusão da parafina é L F = 2,0 × 105 J/kg. Para manter a temperatura de conforto da pele, a massa de parafina encapsulada deve ser de, no mínimo: A) 500 g B) 450 g C) 80 g D) 75 g E) 13 g 05. Deseja-se transformar 100 g de gelo a –20 °C em água a 30 °C. Sabe-se que o calor específico do gelo vale 0,50 cal/g °C, e o da água, 1,0 cal/g °C, e que o calor latente de fusão do gelo vale 80 cal/g. Quanto calor, em quilocalorias, devemos fornecer a esse gelo? 06. (Unesp-SP) Uma quantidade de 1,5 kg de certa substância encontra-se inicialmente na fase sólida, à temperatura de –20 °C. Em um processo à pressão constante de 1,0 atm, ela é levada à fase líquida a 86 °C. A potência necessária nessa transformação foi de 1,5 kJ/s. O gráfico na figura a seguir mostra a temperatura de cada etapa em função do tempo. 86 q (°C) 0 –20 0,7 6,2 12,2 t (min) Calcule: A) o calor latente de fusão L F . B) o calor necessário para elevar a temperatura de 1,5 kg dessa substância de 0 °C a 86 °C. 4F B O N L I N E . C O M . B R ////////////////// Módulo de estudo OSG.: 118269/17 07. (PUC-SP) Um anel metálico de massa 150 g, inicialmente à temperatura de 160 ºC, foi colocado em uma cavidade feita na parte superior de um grande bloco de gelo em fusão, como mostrado na figura. Dados: calor latente de fusão do gelo: 80 cal/g densidade do gelo: 0,92 g/cm3 Após o equilíbrio térmico ser atingido, verificou-se que 30 cm3 de gelo se fundiram. Considerando o sistema (gelo-anel) termicamente isolado, o calor específico do metal que constitui o anel, em cal/g °C, é: A) 0,050 B) 0,092 C) 0,096 D) 0,10 E) 1,0 08. Num recipiente de paredes adiabáticas, há 60 g de gelo fundente (0 °C). Colocando-se 100 g de água no interior desse recipiente, metade do gelo se funde. Qual é a temperatura inicial da água? Dados: calor específico da água = 1,0 cal/g °C; calor latente de fusão do gelo = 80 cal/g. 09. (UEMG) Quer-se determinar a quantidade de calor que devemos fornecer a 200 g de chumbo para que sua temperatura varie de 30 °C para 400 ºC. Dados: temperatura de fusão do chumbo = 330 ºC; calor latente de fusão do chumbo = 5 cal/g; calor específico do chumbo no estado sólido = 0,03 cal/g · °C; calor específico do chumbo no estado líquido = 0,04 cal/g · °C. A quantidade total de calor, em calorias, no processo será igual a: A) 3360 B) 2250 C) 3000 D) 900 E) 4260 10. Em um calorímetro são colocados 2,0 kg de água, no estado líquido, a uma temperatura de 0 °C. A seguir, são adicionados 2,0 kg de gelo, a uma temperatura não especificada. Após algum tempo, tendo sido atingido o equilíbrio térmico, verifica-se que a temperatura da mistura é de 0 °C e que a massa de gelo aumentou em 100 g. Considere que o calor específico do gelo (c = 2,1 KJ / kg ∙ °C) é a metade do calor específico da água e que o calor latente de fusão do gelo é de 330 KJ / kg; e desconsidere a capacidade térmica do calorímetro e a troca de calor com o exterior. Nessas condições, a temperatura do gelo que foi inicialmente adicionado à água, era, aproximadamente: A) 0 °C B) – 2,6 °C C) – 3,9 °C D) – 6,1 °C E) – 7,9 °C 11. (Uece) Um pedaço de gelo a 0 °C é colocado em 200 g de água a 30 °C, num recipiente de capacidade térmica desprezível e isolado termicamente. O equilíbrio térmico se estabelece em 20 °C. O calor latente de fusão do gelo é 80 cal/g e o calor específico da água é 1,0 cal/g · °C. A massa do pedaço de gelo usado no experimento é: A) 10 g B) 20 g C) 30 g D) 40 g 12. Um recipiente contém água em sobrefusão. Observa-se que, após a agitação: A) toda a água solidifica-se, aumentando a temperatura do recipiente. B) parte da água solidifica-se, diminuindo a temperatura do recipiente. C) a água solidifica-se total ou parcialmente, aumentando a temperatura do recipiente. D) toda a água solidifica-se, diminuindo a temperatura do recipiente. 13. (Mack-SP) A sobrefusão é o fenômeno no qual: A) o corpo se encontra no estado líquido a uma temperatura superior à de solidificação. B) o corpo se encontra no estado sólido a uma temperatura superior à de solidificação. C) o corpo se encontra no estado líquido a uma temperatura inferior à de solidificação. D) o corpo se encontra no estado sólido a uma temperatura inferior à de solidificação. E) o corpo se encontra no estado gasoso a uma temperatura inferior à de ebulição. 14. Certa substância, ao nível do mar, tem ponto de fusão de 48 ºC. Contudo, um recipiente contendo essa substância foi resfriado lentamente, sem sofrer perturbações bruscas. Por conta disso, obteve-se a curva de resfriamento mostrada no gráfico a seguir. 0 48 A B C F D E θ (ºC) θ Q cedido Analisando o comportamento mostrado no gráfico, pode-se concluir que: A) no trecho BC, o hipossulfito está na situação definida por regelo. B) no trecho CD, o hipossulfito está em sobrefusão. C) no trecho CD, ocorre solidificação brusca e parcial do hipossulfito. D) no trecho EF, o hipossulfito está em sobrefusão. E) no trechoDE, ocorre solidificação brusca e total do hipossulfito. 15. (Fuvest-SP) Nos dias frios, quando uma pessoa expele ar pela boca, forma-se uma espécie de fumaça junto ao rosto. Isso ocorre porque a pessoa: A) expele o ar quente que condensa o vapor d’água existente na atmosfera. B) expele o ar quente e úmido que se esfria, ocorrendo a condensação dos vapores expelidos. C) expele o ar frio que provoca a condensação do vapor d’água na atmosfera. D) provoca a liquefação do ar, com seu calor. E) provoca a evaporação da água existente na atmosfera. 5 F B O N L I N E . C O M . B R ////////////////// OSG.: 118269/17 Módulo de estudo Resoluções 01. Dados: C xícara = 10 cal/ºC; m café = 120 g; m gelo = 10 g; L gelo = 10 cal/g; c água = 1 cal/g · ºC O calor liberado pelo café e pela xícara deve derreter o gelo e esquentar a água do gelo até a temperatura de equilíbrio. Sendo um sistema termicamente isolado, temos: Q Q Q Q C T m c T x cara caf fus o gua x cara caf gua í é ã á í é á + + + = ⇒ −( ) + − 0 100 1000 0 0 30 100 120 1 100 ( ) + + −( ) = ⇒ −( ) + × × −( ) m L m c T T T gelo fus o gelo guaã á ++ ( ) + ( ) + × × ( ) = ⇒ − + − + + = ⇒ = 10 80 10 80 10 1 0 3 300 12 1200 80 0 16 1420 T T T T T ⇒⇒ =T 88 75, ºC Resposta: B 02. A) Considere-se o aquecimento durante os 50 s iniciais do gráfico: Q =Pot t 20 cal s 50 s = 1000 cal c = Q m T 1000 cal 100 g 50 C 0,2 cal g C ∆ = ∆ = ° = ° B) Considere-se o experimento de 50 s a 150 s, durante o qual a temperatura se manteve constante por causa da mudança do estado de fusão: Q = Pot t = 20 cal s 100 s = 2000 cal∆ L Q m cal g cal g = = = 2000 100 20 C) Considere-se o aquecimento durante os 20 s finais do gráfico (de 150 s a 170 s): Q = Pot t = 20 cal s 20 s = 400 cal c = Q m T = 400 cal 100g 100 C = 0,04 cal g C ∆ ∆ ° ° Resposta: A) 0,2 cal g C B) 20 cal g C) 0,04 cal g C 03. A água, devido ao seu elevado calor latente de vaporização (540 cal/g), demora para vaporizar-se. Por isso, ao testar a temperatura de um ferro de passar roupa ligado, é conveniente umedecer as pontas dos dedos – como a água demorará para vaporizar-se, não há risco de queimar a pele. Resposta: E 04. Dado: Q = 1,5 × 104 J; L = 2 × 105 J/kg. Aplicando a equação do calor latente: Q = m L m = Q L 1,5 10 2 10 0,075 g m 75 g.⋅ ⇒ = ⋅ ⋅ = ⇒ = 4 5 k Resposta: D 05. Q = Q 1 + Q 2 + Q 3 Q = (m c Dq) gelo + (m L F ) gelo + (m c Dq) água Q = 100 · 0,50 · [0 – (–20)] + 100 · 80 + 100 · 1,0 · (30 – 0) Q = 1000 + 8000 + 3000 (cal) Q = 12000 cal Q = 12 kcal Resposta: 12 kcal 06. A) Pot Q t mL t F= = ⇒ ∆ ∆ 1 5 1 5 6 2 0 7 60 330 , , ( , , ) = ⋅ − ⋅ ⇒ = L L kJ kg F F B) Q = Pot Dt Q = 1,5 ⋅ (12,2 – 6,2) ⋅ 60 (kJ) Q kJ= 540 Resposta: A) 330 kJ kg ; B) 540 kJ 07. Q cedido + Q recebido = 0 (m cDq) anel + (d V L F ) gelo = 0 (m cDq) anel + (d V L F ) gelo = 0 150 × c a (0 – 160) + 0,92 × 30 × 80 = 0 –24000 c a + 2208 = 0 c a = 0,092 cal/g °C Resposta: B 08. Q cedido + Q recebido = 0 (m cDq) água + (m L F ) gelo = 0 100 · 1,0 · (0 – q) + 60 2 · 80 = 0 –100 q + 2400 = 0 θ = 24 Cº Resposta: 24 ºC 09. Observe o diagrama: T (ºC) 400 330 30 Q Q 1 Q 2 Q 3 (fusão) ��� �������� Q total = Q 1 + Q 2 + Q 3 = m · C sól. (330 – 30) + m · L fusão + m · c líq (400 – 330) = 200 · 0,03 · 300 +200 · 5 + 200 · 0,04 · 70 = 3360 cal Resposta: A 6F B O N L I N E . C O M . B R ////////////////// Módulo de estudo OSG.: 118269/17 10. O calor liberado por 100 g de água que se solidificaram, foi usado para levar o gelo da temperatura inicial (T 0 ) até o °C, que é a temperatura final da mistura. Dados: Massa de gelo solidificada: m sol = 100 g = 0,1 kg; Massa de gelo inicial: M gelo = 2 kg; Calor específico latente de solidificação da água: L solidif = – 330 kJ/kg; Calor específico sensível do gelo: c gelo = 2,1 kJ/kg · °C. Desprezando perdas de calor: Q Q m L M c Tsolidif gelo sol solidif gelo gelo+ = ⇒ + − ⇒ − + 0 0 0 1 330 2 0( ) , ( ) (( , ) ( ) , , , 2 1 0 33 4 2 0 33 4 2 7 9 0 0 0 0 − ⇒ − − = ⇒ = − ⇒ = − ° T T T T C Resposta: E 11. Sabendo que o equilíbrio ocorre a 20 ºC, conclui-se que todo o gelo se funde e a água oriunda dele ainda se aquece de 0 ºC até 20 ºC. Observe o diagrama. 30 20 0 T (ºC) |Q trocado | Q água + Q gelo = 0 M água · C água · (20 – 30) + M gelo · L fusão + M gelo · C água · (20 – 0) = 0 agora o gelo virou água 200 · 1 · (–10) + M G · 80 + M G · 1 · 20 = 0 M G = 20 g Resposta: B 12. O item C expressa a descrição do efeito sobrefusão estudado na teoria. Resposta: C 13. Na sobrefusão, uma substância encontra-se no estado líquido abaixo da temperatura de solidificação. Resposta: C 14. No trecho CD, ocorre brusca solidificação parcial do hipossulfito, com consequente elevação da temperatura do sistema. Resposta: C 15. Dentro do corpo humano, a temperatura está maior, facilitando a manutenção da água no estado de vapor. Ao sair, a queda de temperatura força a condensação. O que vemos na forma de fumaça é, na verdade, o vapor se condensando por causa da queda de temperatura. Resposta: B SUPERVISOR/DIRETOR: Marcelo Pena – AUTOR: Douglas Gomes DIG.: Renan Oliveira – REV.: Tatielly