Cursos do Blog - Termologia, Óptica e Ondas

8ª aula
Mudanças de fase (I)

Borges e Nicolau

Mudanças de fase ou estados de agregação  

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Tipos de vaporização

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 L_f

Calor latente de fusão do gelo (L_f) e de vaporização da água (L_v)

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 L_f 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.L_f => 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, L_v é igual a 540 cal/g.

Para vaporizar 100 g de água a 100 ºC são necessárias 54000 cal.

Q = m.L_v => 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:
Assinale as afirmativas corretas:

I) A passagem de uma substância pura do estado sólido para o estado líquido recebe o nome de liquefação.
II) O gelo sofre fusão a 0 ºC sob pressão normal. Logo, sob pressão normal a água se solidifica a 0 ºC.
III) Sob mesma pressão a temperatura de ebulição de uma substância pura coincide com a temperatura de condensação dessa substância.
IV) Um estudante, após tomar um banho quente nota que o espelho do banheiro está recoberto de gotículas de água. A mudança de estado que explica este fato é a fusão.

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Exercício 2:
Por que num dia frio, ao falarmos, sai “fumaça” de nossa boca?

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Exercício 3:
Por convenção sabemos que uma quantidade de calor recebida por um corpo é positiva e a quantidade de calor cedida, é negativa. Analise a afirmação abaixo e indique se está correta ou incorreta:

Se o calor latente de fusão da água é +80 cal/g, então o calor latente de solidificação da água é –80 cal/g. Do mesmo modo, se o calor latente de vaporização da água é +540 cal/g, o calor latente de condensação da água é igual a –540 cal/g.

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Exercício 4:
O gráfico abaixo apresenta a curva de aquecimento de uma substância pura de massa 100 g, inicialmente no estado sólido.

Determine para esta substância:

a) A temperatura de fusão
b) A temperatura de ebulição
c) O calor latente de fusão
d) O calor latente de vaporização
e) O calor específico no estado sólido
f) O calor específico no estado líquido
g) O calor específico no estado de vapor 

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Exercício 5:
Um bloco de gelo de massa 200 g está a -10 ºC. Qual é a quantidade de calor necessária para se obter água a +10 ºC. Considere a pressão normal.

Dados:
Calor latente de fusão do gelo: 80 cal/g
Calor específico do gelo: 0,50 cal/g.ºC
Calor específico da água: 1,0 cal/g.ºC

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Exercícios de revisão

Revisão/Ex 1:
(UPE)
Qual massa de gelo a 0 ºC deve ser misturada com 100 g de água a 80 ºC, para que a temperatura de equilíbrio seja de 20 ºC, sabendo-se que o calor específico da água vale 1 cal/g.ºC e que o calor latente de fusão da água vale 80 cal/g.

A) 30 g
B) 60 g
C) 72 g
D) 120 g
E) 180 g

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Revisão/Ex 2:
(MACKENZIE)
Sob pressão normal, 100 g de gelo a -20 ºC recebem 10000 calorias.
Qual a temperatura da água obtida?
Dados: calor específico sensível do gelo = 0,50 cal/g.ºC 
Dados: calor específico latente de fusão do gelo = 80 cal/g 
Dados: calor específico sensível da água = 1,0 cal/g.ºC

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Revisão/Ex 3:
(UFRJ)
Considere uma certa massa de gelo a ºC. Para fazer com que esta massa atinja a temperatura de 100 ºC no estado líquido, é necessário fornecer-lhe Q₁ calorias. Para transformar essa mesma massa de água a 100 ºC em vapor d'água a 100 ºC, é necessária uma quantidade de calor igual a Q₂. Sabendo que o calor específico latente de fusão do gelo é 80 cal/g, que o valor do calor específico sensível da água é 1,0 cal/g.ºC e que o valor do calor específico de vaporização da água é 540 cal/g, calcule o valor da razão Q₂/Q₁.

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Revisão/Ex 4:
(Fuvest)
Dispõe-se de água a 80 ºC e gelo a 0 ºC. Deseja-se obter 100 g de água a uma temperatura de 40 ºC (após o equilíbrio), misturando água e gelo em um recipiente isolante e com capacidade térmica desprezível. Sabe-se que o calor específico latente de fusão do gelo é 80 cal/g e o calor específico sensível da água é 1,0 cal/g.ºC.
A massa de gelo a ser utilizada é

a) 5,0 g
b) 12,5 g
c) 25 g
d) 33 g
e) 50 g

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Revisão/Ex 5:
(PUC-Campinas)
Um bloco de gelo, de massa 10 g, é retirado de um congelador a -16 ºC e colocado num calorímetro ideal, contendo 50 g de água a 26 ºC. A temperatura final de equilíbrio térmico é, em ºC,

a) zero       b) 3          c) 5          d) 7          e) 11

Dados: calor específico sensível do gelo = 0,50 cal/g.ºC 
Dados: calor específico latente de fusão do gelo = 80 cal/g 
Dados: calor específico sensível da água = 1,0 cal/g.ºC

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Desafio:

Num calorímetro de capacidade térmica desprezível, misturam-se 60 g de gelo a -40 °C com 80 g de água a uma temperatura θ. Qual deve ser o valor de θ para que no final tenhamos massas iguais de gelo e água?

Dados:
Calor específico do gelo: 0,50 cal/g °C
Calor específico da água: 1,0 cal/g °C
Calor latente de fusão do gelo: 80 cal/g
Calor latente de solidificação da água: -80 cal/g

A resolução será publicada na próxima terça-feira.

Resolução do desafio anterior 

Num experimento, coloca-se uma esfera metálica a 80 °C no interior de um calorímetro, no interior de um calorímetro, de capacidade térmica desprezível e que contém 100 g de água a 20 °C. A temperatura final de equilíbrio térmico é de 30 °C. Repete-se o experimento, colocando-se no lugar da água, 60 g de álcool a 20 °C.
Dados: calor específico da água 1,0 cal/g.°C e calor específico do álcool 0,50 cal/g.°C.

Determine:

a) a capacidade térmica da esfera metálica;
b) a temperatura de equilíbrio térmico no caso de se utilizar álcool.

a) C.(30-80)+100.1,0.(30-20) = 0 => C = 20 cal/°C

b) 20.(θ_f-80)+60.0,50.(θ_f-20) = 0 => θ_f = 44 °C

Respostas: a) 20 cal/°C; b) 44°C