ESTADOS FÍSICOS FUNDAMENTAIS

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2 ESTADOS FÍSICOS FUNDAMENTAIS A matéria é constituída de corpúsculos (átomos, íons ou moléculas) agregados uns aos outros. Esta agregação nos leva a distinguir na matéria três estados físicos fundamentais: SÓLIDO - São corpos que apresentam forma e volumes próprios; resistem a esforços de tração, compressão, flexão etc. São rígidos e incompressíveis. LÍQUIDO - São corpos que apresentam volumes próprios, mas não forma própria; não apresentam resistência a tração mas resistem à compressão. São fluidos e incompressíveis. GASOSO - Não apresentam forma nem volume próprios, tomando a forma e o volume do recipiente que os contém. Apresentam pequena resistência à compressão. São fluidos e compressíveis. Ferro em estado líquido 1. MUDANÇAS DE ESTADO Através do aquecimento ou do resfriamento de uma substância, promovemos a sua mudança de estado. stock photos Exemplo: - a fusão do gelo. Quando ao mudar de estado, a substância passa por um amolecimento gradativo até atingir o estado líquido, a fusão é pastosa. Exemplo: - a fusão da parafina. Solidificação: é a passagem de uma substância do estado líquido para o estado sólido. É a transformação inversa da fusão. Vaporização: é a passagem de uma substância do estado líquido para o gasoso. A vaporização pode se processar de três maneiras diferentes: EVAPORAÇÃO: é a vaporização lenta. Pode ocorrer em qualquer temperatura desse líquido. EBULIÇÃO: é um processo turbulento, que se verifica em toda a massa do líquido e só ocorre em uma determinada temperatura, chamada ponto de ebulição. CALEFAÇÃO: é a vaporização que ocorre quando um líquido é derramado sobre uma superfície aquecida a uma temperatura superior à de ebulição do líquido. Liquefação: é também chamada de condensação. É a passagem de uma substância do estado gasoso para o estado líquido. Sublimação: é a passagem da substância diretamente do estado sólido para o estado gasoso ou vice-versa. A fusão e a solidificação se processam na mesma temperatura, chamada temperatura (ou ponto) de fusão ou solidificação. A ebulição e a liquefação se processam na mesma temperatura, chamada temperatura (ou ponto) de ebulição ou de liquefação. As mudanças de estado obedecem às seguintes leis: Se a pressão for mantida constante, durante a mudança de estado a temperatura se mantém constante. Para uma dada pressão, cada substância tem a sua temperatura de mudança de estado. Variando a pressão, a temperatura de mudança de estado também varia. 2. CALOR LATENTE Vimos que calor latente é o calor que provoca mudança de estado da matéria e que, enquanto o corpo ganha ou perde calor latente, sua temperatura permanece constante. A quantidade de calor latente Q recebida ou perdida por um corpo é diretamente proporcional à massa m do corpo. Isto é: Vamos definir estes tipos de mudança de estado. Fusão: é a passagem de uma substância do estado sólido para o estado líquido. Quando na fusão há coexistência das fases sólida e líquida, a fusão énítida oucristalina, isto é, o corpo passa aos poucos de uma fase para a outra. onde L é chamado calor latente de fusão ou de vaporização. 14

3 Este calor depende: do tipo de mudança de estado (fusão, vaporização, etc.) da natureza das substâncias. Vale a pena lembrar que: CALOR LATENTE DE EBULIÇÃO = CALOR LATEN- TE DE LIQUEFAÇÃO TESTE DE SALA Calcule a quantidade de calor liberada quando 30 gramas de vapor de água a 100 o C são resfriados, sob pressão normal, até congelar a 0 o C. Dados: L(vaporização) = 540 cal/g; L(fusão) = 80 cal/g P.C. Ponto crítico Verifica-se experimentalmente que, quanto mais baixa é a temperatura de um corpo, menor é a pressão necessária para que haja liquefação. Para cada substância no estado gasoso, existe uma temperatura determinada, acima da qual não é possível a liquefação, por maior que seja a pressão exercida. A esta última temperatura damos o nome de temperatura crítica (T.C.), que define o ponto crítico (P.C.) Obs.: Quando a temperatura de uma substância está acima da crítica, a substância recebe o nome de gás; quando a temperatura está abaixo da crítica, a substância é denominada vapor. Existem, no entanto, substâncias como a água, o ferro e o bismuto, por exemplo, que sofrem uma redução de volume ao passarem para o estado líquido. Para estas substâncias, o aumento de pressão acarreta uma diminuição do ponto de fusão. Em relação a essas substâncias, o gráfico da pressão em função do ponto de fusão se apresenta assim: LÍQUIDO 3. INFLUÊNCIA DA PRESSÃO NA MU- DANÇA DE ESTADO DE UMA SUBS- TÂNCIA De um modo geral, para um aumento de pressão, há um aumento na temperatura de mudança de estado. Construindo-se o gráfico cartesiano das condições de equilíbrio entre as fases sólido, líquido e gasoso, encontramos o diagrama de estado de uma substância. SÓLIDO Dá-se o nome de regelo à fusão do gelo em temperaturas mais baixas que o seu próprio ponto de fusão. Como vimos, o aumento da pressão causa na água um abaixamento no ponto de fusão, causando este fenômeno. No gráfico ( I ) a seguir, temos: Inicialmente, o gelo estava nas condições do ponto A. Com o aumento da pressão, ele passa de A para B, sofrendo fusão no ponto C. Com a descompressão, o sistema volta ao ponto A, ocorrendo o regelo. Uma experiência bastante interessante sobre este fenômeno é mostrada na figura (II). P.T Ponto triplo Este ponto representa as condições segundo as quais um corpo se situa entre as fases sólida, líquida e gasosa, em equilíbrio térmico. 15

4 Pendurando dois pesos na barra de gelo, aumentando a pressão nesta região, causamos a fusão do gelo, a água escorre para cima do cabo voltando ao estado sólido, formando o regelo. No final da experiência, vemos o cabo atravessar a barra, sem dividi-la em duas partes! SUPERFUSÃO A superfusão é um fenômeno que ocorre com um líquido, quando, ao ser resfriado lentamente, sem provocar nenhuma agitação em sua massa, o levamos a temperaturas mais baixas que o seu ponto de solidificação, ainda sob a forma de líquido. Na superfusão, a curva de resfriamento toma o aspecto da figura. FLUXO DE CALOR É a razão entre a quantidade de calor que passa de uma região para outra de temperatura menor e o tempo gasto nesta passagem. Q t A superfusão não é um estado permanente, de tal forma que, se atirarmos no líquido um pequeno cristal sólido ou se agitarmos o líquido, parte dele se solidificará rapidamente (trecho CD) e o líquido voltará (se aquece) à temperatura de solidificação (D); a partir daí, a solidificação se desenrolará normalmente (DE). 4. MÉTODOS DE PROPAGAÇÃO DO CALOR O calor é a energia térmica em trânsito entre dois corpos de temperaturas diferentes. O fluxo de calor se direciona sempre do corpo de maior temperatura para o corpo de menor temperatura. O calor pode se propagar de três maneiras distintas: CONDUÇÃO Quando o calor é transmitido de um ponto a outro através de agitação molecular dos choques entre as moléculas, sem haver transporte de matéria. É o caso de aquecermos a extremidade de uma barra metálica e sentirmos o aquecimento na extremidade oposta. Algumas substâncias conduzem calor melhor que as outras. O calor passa da região de maior para a de menor temperatura. O fluxo de calor depende: 1) da área A da chapa. Quanto maior a área, maior será a quantidade de calor que passa por ela; 2) da diferença de temperatura. Quanto maior a diferença de temperatura entre as duas regiões, maior será a quantidade de calor que passa através da chapa; 3) da espessura da chapa. Quanto mais espessa for a chapa, menor será a quantidade de calor que passa por ela. Nessa expressão, K é coeficiente de condutibilidade térmica da chapa, A é a área da chapa, DT é a diferença de temperatura entre as regiões, e é a espessura da chapa. O valor de K é grande para os bons condutores de calor, como os metais, e pequeno para os isolantes térmicos, como a lã. TESTE DE SALA (UFBA) A figura seguinte apresenta um bastão de alumínio de massa homogênea, cuja extremidade direita, colocada sobre a região da chama de uma vela, está a 80 o C, e a esquerda, segura pelas mãos de um garoto, está em torno de 30 o C. Sabendo-se que a condutibilidade térmica do alumínio é 0,50cal.s -1. cm -1 o C -1 e a secção transversal do bastão é de 4cm 2, calcule, em segundos, o tempo mínimo que o garoto sentirá variação de temperatura se, neste intervalo, o bastão absorveu 180 calorias. 16

5 CONVECÇÃO É a transmissão do calor através do transporte de matéria de um ponto para outro. Este processo só pode ocorrer nos fluidos (líquidos e gases) e consiste na formação das correntes de convecção : Se ao resfriarmos uma certa massa de água e anotássemos o seu volume a cada temperatura obteríamos o gráfico dado a seguir. A massa da substância é aquecida (A), ficando com densidade menor que as massas adjacentes. Subindo à superfície (B) ela se resfria, retomando a densidade inicial e, conseqüentemente, descendo novamente. IRRADIAÇÃO Quando a propagação do calor se faz através de ondas eletromagnéticas (raios infravermelhos), independendo da existência de meio material para a sua propagação. Exemplo: - o calor do Sol que atinge a Terra, se propaga no vácuo por irradiação. Laureni Fochetto Quando sentamos em frente a uma fogueira, recebemos energia por irradiação. 5. COMPORTAMENTO ANÔMALO DA ÁGUA A maioria das substâncias se contraem ao sofrerem solidificação. A água, entretanto, apresenta comportamento oposto. Podemos comprovar isso colocando no congelador uma garrafa cheia de água ou refrigerante (que contém grande parte de água): na mudança de fase, o recipiente pode quebrar. Percebemos que o resfriamento provoca uma contração até 4ºC. A partir deste ponto a água começa a se dilatar, apesar de estar sendo resfriada. O volume mínimo da amostra ocorre a 4ºC e conseqüentemente, nesta temperatura a sua densidade será máxima. TESTES DE CASA 01. (FTC-01) A água está continuamente sofrendo mudanças de fase na natureza. Quando líquida, evapora-se sob ação do calor do Sol e os vapores formados sobem, condensandose nas camadas superiores da atmosfera. É comum também a formação do orvalho, que, quando se solidifica, dá origem à geada. (Ramalho, p ) Considerando-se as mudanças de fase abordadas no texto, é necessária a absorção de energia, na forma de calor latente, para que ocorra a: 01) evaporação e a solidificação. 02) solidificação e a condensação. 03) condensação e a evaporação. 04) solidificação, apenas. 05) evaporação, apenas. 02. (FAVIC-03) Com base nos conhecimentos sobre calorimetria, marque com V as afirmativas verdadeiras e com F, as falsas. ( ) Um corpo pode receber calor sem aumentar a sua temperatura. ( ) A troca de calor entre dois sistemas depende da energia térmica armazenada em cada um deles e não da diferença de temperatura entre ambos. ( ) Para corpos de uma mesma substância, a capacidade térmica é inversamente proporcional à massa. A alternativa que indica a seqüência correta, de cima para baixo, é a: 01) V F F 02) F F V 04) F V V 03) V V F 05) V V V 17

6 03. (UCS-01) A energia é uma grandeza física relacionada com os mais diversos fenômenos. Quase todas as coisas que acontecem na natureza podem ser interpretadas como transformações da energia. A energia transferida corresponde a calor ou trabalho. O equivalente mecânico do calor, determinado por James Joule na primeira metade do século XIX, é de 4,2 joules/caloria. Assim, quando 20 g de água sofrem variação de 1 C por agitação, a energia mecânica transferida à água vale, em joules, a) 5 b) 10 d) 42 c) 21 e) (UCS-03) Na natureza quase todos os sólidos têm os seus átomos dispostos ordenadamente, constituindo uma rede cristalina. Quando um sólido cristalino recebe calor, suas moléculas passam a se agitar mais intensamente. À temperatura de fusão, a agitação térmica é suficiente para destruir a estrutura cristalina. Considere um sólido cristalino de massa 100 g que se encontra a 327 C, que é a sua temperatura de fusão. O calor específico da substância constituinte do sólido vale 0,10 cal/g C e o calor latente de fusão vale 6,0 cal/g. Fornecendo ao sólido 120 cal de calor: a) a sua temperatura aumenta de 12 C. b) funde uma massa de 80 g do sólido. c) funde uma massa de 20 g do sólido. d) a sua temperatura varia de 120 C. e) a sua temperatura passa a 351 C. 05. (R.B-03) 06. (UEFS-02) Um aquecedor elétrico, de potência P, deve ser utilizado para fundir completamente, ao nível do mar, uma massa m de gelo inicialmente à temperatura To < 0 C. Desprezando-se as perdas e sendo c e L o calor específico e o calor latente de fusão do gelo, respectivamente, esse aquecedor deve permanecer ligado por um tempo mínimo igual a: a) b) c) m(ct P o L) P(LTo c) d) m Pm (ct L) o 07. (UEFS-01) LT o c mp e) Pm (LTo + c) O gráfico ilustra as transformações sofridas por 50g de uma certa substância inicialmente no estado sólido. Com base nas informações fornecidas no gráfico, pode-se concluir que o calor latente de fusão dessa substância, em cal/g, é igual a: a) 12 b) 18 d) 23 c) 20 e) (UCS-03) A temperatura de um corpo, inicialmente sólido, varia com a quantidade de calor que recebe, como mostra o gráfico abaixo. Na figura, tem-se a curva de aquecimento de uma amostra de líquido em que a temperatura está em função do tempo de aquecimento. A análise dessa curva de aquecimento, considerando-se que o líquido é uma substância pura, permite concluir: (01) O calor trocado até o instante t produz apenas variação de temperatura na amostra. (02) O calor absorvido até o instante t denomina-se calor latente de mudança de fase. (04) O líquido tem ponto de ebulição igual a 80 C. (08) O patamar da curva representa o fenômeno de vaporização do líquido. (16) O líquido deixa de absorver calor durante a mudança de estado físico. Sabendo que o calor latente de fusão da substância de que é feito o corpo vale 20 cal/g, o calor específico da substância no estado sólido, em cal/g C, vale: a) 0,050 b) 0,10 d) 0,20 c) 0,15 e) 0,25 18

7 09. (UCS-02) Uma amostra de 200 g de uma substância, inicialmente no estado sólido, é aquecida por uma fonte térmica de potência constante. O gráfico abaixo representa a temperatura da substância em função do tempo t de aquecimento. Sabendo que o calor latente de fusão da substância vale 40 cal/g, o seu calor específico no estado sólido, em cal/ g C, vale: a) 0,25 b) 0,40 d) 0,80 c) 0,64 e) 1,2 10. (UNIT-00) Um recipiente, de capacidade térmica desprezível, contém 400 g de água a 40 C. Introduzem-se no recipiente 100 g de gelo, a 0 C. Admitindo-se que não há trocas de calor com o ambiente, a temperatura final de equilíbrio, em o C, é: a) zero b) 5,0 c) 10 d) 16 e) (UCS-02) Colocam-se m gramas de gelo a 0 C num recipiente contendo 2 m gramas de água à temperatura t. Após certo tempo, verifica-se que há 2 m gramas de gelo boiando na água em estado de equilíbrio térmico. Admite-se não haver troca de calor com o ambiente, o calor latente de fusão do gelo é 80 cal/g e o calor específico da água é 1,0 cal/g C. Pode-se, então, concluir corretamente que a temperatura t da água, em C, era: a) 10 b) 15 d) 30 c) 20 e) (UNIT-02) Uma massa m de gelo a 0 C e outra M de vapor de água a 100 C, ao nível do mar, são colocadas em um recipiente de paredes adiabáticas e capacidade térmica desprezível. Verifica-se que o equilíbrio térmico é atingido a 40 C. Nessas condições, a relação m/m vale: a) b) 5 c) 1 d) 2 e) 5 Dados: calor específico da água = 1,0 cal/g C calor latente de fusão do gelo = 80 cal/g Dados: calor específico da água = 1,0 cal/g C calor latente de fusão do gelo = 80 cal/g calor latente de vaporização da água = 540 cal/g 13. (UCS-01) Uma esfera de cobre de 10,0 g é aquecida em água fervente a 100 C e, imediatamente, é tirada da água colocada sobre um bloco de gelo, suposto a zero graus Celsius, derretendo uma parte do gelo e formando uma cavidade. O volume dessa cavidade, em cm³, é um valor que pode ser estimado próximo de: a) 0,5 b) 1,3 c) 2,0 d) 9,2 e) (UCS-03) Em regime estacionário, o fluxo de calor (quantidade de calor por unidade de tempo) por condução num material homogêneo é proporcional à área A da seção transversal atravessada e à diferença de temperatura ( 2-1 ) entre os extremos e inversamente proporcional à espessura (e) da camada considerada. Esse processo é descrito pela função matemática A ( 2 ) K 1 e A constante K, que depende do material, é chamada de coeficiente de condutibilidade térmica. Sua unidade pode ser: a) b) c) J s.m. o C Dados: Calor específico do cobre = 0,092 cal/g C Calor de fusão do gelo = 80 cal/g Densidade do gelo = 0,92 g/cm³ J.s 2 o d) m C J 2 o e) s.m. C o cal.cm. C s cal. o C s.cm 15. (IME-RJ) Um vidro plano, com coeficiente de condutibilidade térmica 0, cal/s.cm C, tem uma área de 1000 cm² e espessura de 3,66 mm. Sendo o fluxo de calor por condução através do vidro de 2000 calorias por segundo, calcule em 10² C, a diferença de temperatura entre suas faces. 19

8 16. Uma barra de alumínio de 50 cm de comprimento e área de secção transversal 5 cm² tem uma de suas extremidades em contato térmico com uma câmara de vapor d'água em ebulição. A outra extremidade está imersa numa cuba que contém uma mistura bifásica de gelo fundente. A pressão atmosférica local é normal. Sabendo-se que o coeficiente de condutibilidade térmica do alumínio vale 0,5 cal/s.cm C, pede-se calcular a temperatura numa secção transversal da barra situada a 40 cm da extremidade mais quente. 17. (UCS-03) Considere os processos de transferência de calor e suas denominações: I. agitação das partículas a. condução II. propagação ondulatória b. convecção III. transporte de matéria c. irradiação A associação correta é: a) Ia, IIb e IIIc b) Ia, IIc e IIIb d) Ib, IIc e IIIa c) Ib, IIa e IIIc e) Ic, IIa e IIIb 18. (UCS-00) Considere o texto abaixo com as lacunas. Numa geladeira, o ar frio... e o ar quente... para ser resfriado, numa contínua corrente de... para facilitar o resfriamento do ar, o sistema de refrigeração é colocado na parte... da geladeira. As palavras que preenchem corretamente as lacunas são, respectivamente, a) sobe - desce - convecção - superior b) desce - sobe - convecção - superior c) sobe - desce - condução - inferior d) desce - sobe - condução - inferior e) sobe - desce - radiação - superior 19. (UNEB-01) O Sol aquece a Terra a partir da propagação de ondas eletromagnéticas. A esse fenômeno dá-se o nome de: 01) condução. 02) convecção. 03) irradiação. 04) calefação. 05) sublimação. 20. (UEFS-03) Experimentos simples mostram que as temperaturas de fusão e ebulição dependem da pressão que atua sobre as substâncias. O aumento da pressão diminui a temperatura de fusão e aumenta a temperatura de ebulição. Sabe-se que a água tem ponto de ebulição 100 C, quando está sob pressão de 1atm. A partir dessas informações e dos conhecimentos de hidrostática, pode-se inferir que, na cidade de Campos do Jordão, situada a 1700m acima do nível do mar: a) a pressão atmosférica é superior a 1atm. b) o ponto de ebulição da água é inferior a 100 C. c) o ponto de liquefação do vapor d'água é superior a 100 C. d) as moléculas de água precisam de maior energia para evaporar. e) as moléculas de vapor d'água absorvem maior quantidade de calor para se liquefazer. 21. (UCS-03) A temperatura de fusão do gelo ao nível do mar é 0 C. Com o aumento da pressão a temperatura de fusão diminui, pois o gelo diminui de volume ao se fundir. Assim, no topo de uma montanha a temperatura de fusão do gelo pode ser: a) -2 C b) 0 C c) 30 F d) 32 F e) 275 K 22. (UCS-02) Considere o diagrama de fases de certa substância. Analise as afirmações relativas a esse diagrama. I. S é um ponto que representa um equilíbrio entre as fases líquida e gasosa. II. No estado Q a substância pode se apresentar sólida e/ ou líquida. III. R é um ponto que representa um líquido. IV. Para pressões maiores que a do ponto T pode ocorrer a sublimação. São corretas SOMENTE: a) I e II b) II e III c) III e IV d) I, II e III e) I, II e IV 20

9 23. (FDC-02) Abaixo é apresentado o diagrama de estados físicos de certa substância pura. Nos eixos estão representadas pressões e temperaturas. 25. (UNEB-02) Sob pressão atmosférica normal, a densidade da água varia em função da temperatura, de acordo com o gráfico. Considere as afirmações: I. Partindo do estado A, a substância poderá se solidificar por abaixamento de temperatura, à pressão constante. II. A partir do ponto A, pode-se conseguir a vaporização por redução de pressão, mantida a temperatura constante. III. A passagem de B para C é denominada sublimação. IV. No ponto T, a substância pode se apresentar nos três estados físicos, simultaneamente. Dentre elas, são corretas: a) apenas I e II b) apenas III e IV c) apenas I, II e III d) apenas I, II e IV e) I, II, III e IV. 24. (FTE-01) Considerando-se essas informações e o fato de a água, na forma sólida, ser menos densa do que na forma líquida, é correto afirmar que esse fluido 01) mantém volume constante, ao ser aquecido a partir do ponto de fusão. 02) mantém volume constante, ao ser resfriado de 4 C até o ponto de solidificação. 03) se submete à contração térmica durante o resfriamento, à medida que vai atingindo temperaturas muito próximas do ponto de congelamento. 04) se submete à dilatação térmica durante o resfriamento, à medida que vai atingindo temperaturas muito próximas do ponto de solidificação. 05) tem, no processo de solidificação, aumento de massa e redução de volume. Questões 26 a 28 O estado físico em que uma substância se encontra depende das condições de pressão e temperatura. O gráfico abaixo representa o diagrama de fase do CO 2. (O gráfico não está em escala). Em regiões de inverno rigoroso, os lagos e os rios congelam apenas na superfície. Esse fenômeno, que ocorre devido à dilatação irregular da água, conforme gráfico, é fundamental para a preservação da fauna e da flora aquáticas e está associado ao fato de a água apresentar: 01) densidade máxima a 4 C. 02) volume máximo a 4 C. 03) contração térmica, ao ser resfriada de 4 C a 0 C. 04) ligações de hidrogênio apenas no estado líquido. 05) propriedades que possibilitam a manutenção da vida em quaisquer temperaturas intracelulares. 26. Região em que a substância está no estado líquido. 27. Ponto crítico. 28. Ponto de equilíbrio entre as três fases da substância. 21

10 29. Sobre problemas térmicos, podemos afirmar: (01) No alto das montanhas os alimentos ficam cozidos mais rapidamente porque o ponto de ebulição da água é inferior a 100ºC. (02) O tempo que se gasta para cozinhar os alimentos não depende da pressão local. (04) Quando tocamos em madeira ou metal, ambos à mesma temperatura, as sensações térmicas são iguais. (08) Como o ar não é bom condutor térmico, os pássaros eriçam suas penas para se manterem quentes. (16) Uma garrafa cheia d água pode quebrar, dentro de um congelador, porque a água ao se congelar sofre aumento de volume. (32) Ao bebermos água gelada, notamos que o copo sua, ficando com a parte externa molhada. Isto acontece porque a água atravessa as paredes do copo e molha a parte externa. 30. (UFBA) Em relação aos efeitos do calor e temperatura, podese afirmar: (01) Os melhores emissores de energia radiante são também os melhores absorventes dessa energia. (02) A condução é uma modalidade de propagação do calor que se realiza no vácuo. (04) A expansão dos gases no interior dos cilindros dos motores dos automóveis, logo após a explosão, provoca a realização do trabalho. (08) O ponto de fusão do gelo diminui com o aumento da pressão. (16) Entre as paredes das garrafas térmicas faz-se o vácuo para reduzir as trocas de calor por convecção. (32) O ponto de ebulição de um líquido diminui com o aumento da pressão. GABARITO ANOTAÇÕES E C 09 A C B 1 D C E B A B B 03 2 B A E C E B V F F V F 29 F F F V V F 30 V F V V V F 22