Sólidos, líquidos e gases

Transcrição

1 Mudanças de fase

2 Sólidos, líquidos e gases Estado sólido Neste estado, os átomos da substâncias se encontram muito próximos uns dos outros e ligados por forças eletromagnéticas relativamente grandes. Eles não sofrem translação ao longo do sólido, mas encontram-se em constante movimento de vibração (agitação térmica). Em virtude da forte ligação entre os átomos, os sólidos possuem algumas características, tais como o fato de apresentarem uma forma própria (volume bem definido) e de oferecerem uma certa resistência a deformações.

3 Sólidos, líquidos e gases Estado sólido Na natureza, quase todos os sólidos se apresentam em forma de cristais, isto é, os átomos que o constituem são organizados com uma estrutura geométrica (rede cristalina) bem regular que se repete ao longo de todo o volume do sólido. O aspecto regular do cristal de cloreto de sódio é consequência da organização interna (rede cristalina) dessa substância.

4 Sólidos, líquidos e gases Estado sólido Diamante Grafite O diamante e o grafite, apesar de serem ambos constituídos unicamente por átomos de carbono, apresentam propriedades diferentes em virtude de possuírem estruturas cristalinas diferentes.

5 Sólidos, líquidos e gases Estado sólido Alguns sólidos deixam de apresentar, em sua estrutura interna, a regularidade dos cristais, isto é, seus átomos não estão distribuídos em uma estrutura organizada, sendo denominados de sólidos amorfos. Um exemplo típico de sólido amorfo é o vidro, asfalto, plásticos, a borracha etc.

6 Sólidos, líquidos e gases Estado líquido Os átomos de uma substância líquida se apresentam mais afastados uns dos outros do que no estado só lido e, consequentemente, as forças de ligação entre eles são mais fracas. Assim, o movimento de vibração dos átomos se faz mais livremente, permitindo que eles sofram pequenas translações no interior do líquido. É por este motivo que os líquidos podem escoar com certa facilidade, não oferecendo resistência à penetração e tomam a forma do recipiente onde são colocados.

7 Sólidos, líquidos e gases Estado gasoso No estado gasoso, a distância entre os átomos ou moléculas de uma substância é muito maior do que nos sólidos e nos líquidos, sendo praticamente nula a força de ligação entre essas partículas. Por este motivo, elas se movimentam livremente em todas as direções, fazendo com que os gases não apresentam forma bem definida e ocupem sempre o volume total do recipiente onde estão contidos. Modelos da estrutura interna de um sólido, de um líquido e de um gás. Observe a organização e a separação das moléculas em cada caso.

8 Mudanças de estado Estados físicos da matéria Sublimação Fusão Vaporização Solidificação Condensação Sublimação Mudanças que ocorrem com recebimento de calor (aumento da energia interna) Mudanças que ocorrem com perda de calor (diminuição da energia interna)

9 Mudanças de estado As leis das mudanças de fase (estado) 1ª Lei: A uma dada pressão, a temperatura na qual ocorre a mudança de fase (ponto de fusão, de solidificação, de ebulição etc) é bem determinada para cada substância. Temperaturas de mudanças de fase à pressão de 1 atm Substância Ponto de fusão/solidificação (ºC) Ponto de ebulição/condensação (ºC) Água Mercúrio Nitrogênio Álcool etílico Chumbo

10 Mudanças de estado As leis das mudanças de fase (estado) 2ª Lei: Se um corpo se encontra em sua temperatura de mudança de fase, é necessário fornecer calor a ele para que ocorrer tal mudança de estado. A quantidade de calor que deve ser fornecida, por unidade de massa, é denominada calor latente (L), que é característico de cada substância. Substância Calor latente de fusão (cal/g) Calor latente de ebulição (cal/g) Água L = 80 L = 540 Mercúrio L = 2,8 L = 65 Nitrogênio L = 6,1 L = 48 Álcool etílico L = 25 L = 204 Chumbo L = 5,8 L = 208 No SI, a unidade de calor latente de mudança de fase é o J/kg: 1 cal/g = 4,2. 10³ J/kg

11 Mudanças de estado Consultando a tabela anterior, podemos calcular a quantidade calor necessária para mudar de fase uma certa massa m de um substância, basta fazer a regra de três: 1g L m Q Q = m. L Exemplo: qual a quantidade de calor necessária para fundir 100 g de chumbo que já se encontra na temperatura de fusão (327ºC): 1g 5,8 100g Q Q = 580 cal Ou use direto a fórmula: Q = m. Lfus ão Q = 100.5,8 Q = 580 cal

12 Mudanças de estado Vamos destacar, as expressões que relacionam a quantidade de calor Q transferida a um corpo, com possíveis efeitos que ela pode causar: Q = mc θ, quando o calor estiver provocando, no corpo, uma mudança de temperatura. Q = ml, quando o calor estiver provocando, no corpo, uma mudança de fase.

13 Mudanças de estado As leis das mudanças de fase (estado) 3ª Lei: Durante as mudanças de fase, a temperatura permanece constante. Isso acontece por que o calor que é fornecido ao corpo, para ele mudar de fase, é usado para aumentar a separação entre seus átomos, rompendo a estrutura interna, sem ocasionar variação na agitação térmica destes átomos (variação de temperatura). Assim, na fusão de um bloco de chumbo, por exemplo, sua temperatura permanece 327ºC, embora fornecemos 5,8 cal para cada grama que se funde. Assim, na ebulição de chumbo líquido, pro exemplo, sua temperatura permanece 1725ºC, embora fornecemos 208 cal para cada grama que se vaporiza.

14 Exemplo 1 Uma pedra de gelo de 200 g, inicialmente a 20ºC, recebe calor a uma taxa de cal/min. Desprezando as trocas de calor com o ambiente, e considerando que: c gelo = 0,50 cal/gºc; c água = 1,0 cal/gºc L FUSÃO = 80 cal/g L EBULIÇÃO = 540 cal/g; a) Calcular a quantidade de calor necessária para fazer com que toda a massa de gelo passe para a fase gasosa (ou seja, transforme-se em vapor d água a 100ºC); b) Esboce um gráfico temperatura versus tempo e analise-o; c) Quanto tempo dura o processo de fusão?

15 Exemplo 2 Uma garrafa térmica contém 200g de água a 40ºC. Colocando em seu interior uma pedra de 50 g de gelo fundente (ou seja, a 0ºC). Considerando desprezíveis as trocas de calor com a garrafa: a) Determine a temperatura final de equilíbrio do sistema, bem como a quantidade de gelo que existirá dentro da garrafa, quando atingido o equilíbrio térmico. b) Refazer a questão considerando que foram colocadas três pedras de gelo, de 50 g cada uma, no interior da garrafa.

16 Influência da pressão nos pontos fixos Influência da pressão na temperatura de fusão Quando uma substância se funde, de modo geral ela aumenta de volume. Para uma substância que tenha esse comportamento, observa-se que um aumento na pressão sobre ela acarreta um aumento em sua temperatura de fusão (e consequentemente, em sua temperatura de solidificação). Sabemos que o chumbo Pb se funde a 327ºC quando submetido a uma pressão de p = 1 atm. Bomba de vácuo Ar comprimido

17 Influência da pressão nos pontos fixos Influência da pressão na temperatura de fusão A água é uma exceção Algumas poucas substâncias, como água, ferro, bismuto e antimônio, fogem do comportamento geral, pois diminuem de volume ao se fundirem. Para essas substâncias, um aumento na pressão acarreta uma diminuição na temperatura de fusão. Como sabemos, o gelo se funde a 0ºC somente se a pressão sobre ele for p = 1 atm. O gelo se funde apesar de estar abaixo de 0ºC, devido a grande pressão exercida pela lâmina do patins.

18 Influência da pressão nos pontos fixos Influência da pressão na temperatura de ebulição Como sabemos, qualquer substância, ao se vaporizar, aumenta de volume. Por este motivo, um aumento na pressão acarreta um aumento na temperatura de ebulição, pois uma pressão elevada tende a dificultar a vaporização. Em uma panela de pressão a água (líquida) atinge temperaturas superiores a 100ºC.

19 Influência da pressão nos pontos fixos Influência da pressão na temperatura de ebulição Quanto menor a altitude (menor pressão atmosférica), menor é a temperatura de ebulição da água.

20 Diagramas de fases Curva a: Curva da sublimação-sublimação Curva b: Curva da fusão-solidificação Curva c: Curva da vaporização-condensação Ponto T: ponto triplo Ponto C: ponto crítico Vamos analisar cada um desses diagramas.

21 Diagramas de fases Um ponto sobre a curva (a, b ou c) indica a existência de duas fases simultaneamente. No ponto T, temos as três fases simultaneamente.

22 Diagrama de fases Um aumento da pressão exercida sobre a substância implica um aumento da temperatura de mudança de estado físico.

23 Diagrama de fases Quando uma gás estiver na temperatura crítica, θ C, ou maior é impossível liquefazê-lo (condensá-lo) por maior que seja a pressão exercida sobre ele. Portanto, só é possível liquefazer um gás, por aumento de pressão, se ele estiver a uma temperatura inferior à sua temperatura de ponto crítico. Exemplo: a temperatura crítica do oxigênio (O 2 ) é θ C = 118.

24 Diagrama de fases Entretanto, para substâncias, como a água, o ferro, o bismuto e do antimônio, por exemplo), um aumento de pressão favorece a mudança de estado, passando a mudança de estado a ocorrer em uma temperatura mais baixa.

25 4,6 mmhg Diagrama de fases ÁGUA 0,01ºC O ponto triplo da água ocorre quando a mesma estiver submetida à uma pressão de 4,6 mmhg e à temperatura de 0,01ºC. Nesse par de pressão e temperatura é possível encontrar água, simultaneamente, nos estados sólido, líquido e gasoso.

26 Ebulição e evaporação A passagem do estado líquido para o estado gasoso (vaporização) pode ocorrer de duas maneiras: 1) Por ebulição: que consiste quando um líquido atinge a sua temperatura de ebulição e então, um grande número de moléculas possuirá energia suficiente para escapar do líquido, vencendo as forças de coesão interna. Por isso, a ebulição é rápida e tumultuada.

27 Ebulição e evaporação 2) Por evaporação: para ocorrer a evaporação, o líquido pode estar numa temperatura inferior à de ebulição; ela é mais lenta e o líquido permanece calmo. Isso ocorre, por que algumas moléculas possuem grande energia cinética, mesmo o líquido com a temperatura baixa (pois a temperatura está relacionada com energia cinética MÉDIA das moléculas). Quando essas moléculas, em seus movimentos caóticos, atingem a superfície do líquido, elas escapam.

28 Evaporação Quando uma pessoa senti frio ao sair molhada da piscina ou da água do mar, isso está relacionado com a evaporação. À medida que a água no corpo vai evaporando, estará perdendo suas moléculas de maior energia; em consequência, a energia daquelas que permanecem em contato com seu corpo diminuirá, tornando-a mais fria e, pelo contato, também o seu corpo esfriará.

29 Evaporação e umidade do ar Considere um recipiente fechado, contendo água a 20ºC e na pressão de 1 atm. Inicialmente, o ar contido dentro do recipiente está completamente seco. Será que, depois de um tempo, toda a água do recipiente terá evaporado? Não. Uma vez iniciado o processo de evaporação, moléculas de água estarão, a todo momento, abandonando o líquido, misturando-se aos demais componentes do ar (O 2, N 2 etc.). No entanto, por maior que seja o tempo que se espere, apenas uma fração da água irá evaporar.

30 Evaporação e umidade do ar As moléculas que vaporizam permanecem dentro do recipiente, movendo-se em todas as direções. A todo momento, algumas delas estarão atingindo a superfície da água, retornando assim à fase líquida (figura a). Enquanto a taxa de evaporação for maior do que a taxa de retorno, diminuirá a quantidade de água na fase líquida, e aumentará a de vapor d água no ar. No entanto, assim que essas duas taxas se igualarem, o nível da água mão amis diminuirá e a quantidade de vapor d água no ar manter-se-á constante (figura b). Ar saturado

31 Evaporação e umidade do ar A umidade relativa do ar é uma escala que mede a quantidade de vapor saturado no ar. Nessa escala, 100% representa o ar saturado; já quando o serviço meteorológico anuncia, por exemplo, que a umidade relativa do ar é de 80%, isso significa que ele contém 80% da quantidade de vapor correspondente para saturar o ar. É fácil concluir que quanto maior temperatura, maior será a quantidade de vapor d água no ar.

32 Evaporação e umidade do ar Podemos então concluir que a quantidade de vapor d água que satura o ar a 1 atm depende da temperatura, como mostra a tabela abaixo. Por exemplo, se a temperatura do ambiente estiver à 40ºC, é necessária 50 g/m³ de vapor d água para saturar o ar. No entanto se a temperatura ambiente diminuir para 20ºC, a quantidade de vapor d água que satura o ar cai para 20 g/m³.

33 Evaporação e umidade do ar Condensação atmosférica: orvalho, nevoeiro, nuvens, chuva etc. Considere o sistema da figura que se encontra a 40ºC e que, nessa situação, o ar não esteja saturado de umidade. Há duas maneiras de se atingir o estado de saturação do ar, ou seja, levá-la aos 100%. O primeiro seria pela evaporação de mais água. O segundo e é esse que nos interessa no momento seria diminuir a temperatura do sistema.

34 Evaporação e umidade do ar Condensação atmosférica: orvalho, nevoeiro, nuvens, chuva etc. Observando a tabela abaixo, podemos perceber que a quantidade de vapor d água que satura o ar diminui com a temperatura. Então para ao nosso exemplo, ao diminuirmos a temperatura, o a quantidade de vapor d água que já está presente no ar, pode ser suficiente para saturar o ar.

35 Evaporação e umidade do ar Condensação atmosférica: orvalho, nevoeiro, nuvens, chuva etc. Raciocinando da mesma forma, por exemplo: depois de um dia quente, no qual muita água evaporou, levando a umidade a 80% (que é um valor comum em cidades litorâneas), a temperatura cai à noite, fazendo que parte desse vapor d água seja o suficiente para saturar o ar, se condensando, formando o que chamamos de orvalho.

36 Evaporação e umidade do ar Condensação atmosférica: orvalho, nevoeiro, nuvens, chuva etc. Raciocinando da mesma forma, deixa ao seu encargo explicar a formação de nuvens, chuvas e geadas.

37 Evaporação e umidade do ar Condensação atmosférica: orvalho, nevoeiro, nuvens, chuva etc. Outro fator interessante da umidade relativa do ar é, numa certa região, quanto maior for a umidade relativa do ar, menor será a velocidade de evaporação (justifique!). Pense como as roupas demoram a secar em dias muito úmidos. Deixarei a seu encargo explicar o fato de que quando a umidade relativa do ar é alta, há muito desconforto para as pessoas; algumas costuma dizer que o calor parece maior.