Exercícios 4 Diagramas de Fase 1. É dado o diagrama de fases de uma substância: 10 a) O que representam os pontos x, y, w e z assinalados no gráfico? b) Sob pressão normal (1 atm) e à temperatura ambiente (20 0 C), em que fase se encontra a substância? c) Assinale no diagrama as regiões correspondentes às fases sólida, líquida e de vapor. 2. Dado o diagrama de fases de uma substância, pergunta-se: a) Que mudança de fase ocorre quando a substância passa do estado A para o estado B? b) Que mudança de fase ocorre na passagem do estado B para o estado C? c) Em que fase pode encontrar-se a substância no estado representado pelo ponto D? d) E nos estados representados pelos pontos E, F e G? e) Qual dos pontos assinalados no diagrama é o ponto triplo ou tríplice e por que recebe esse nome? 3. (Unemat-MT) Dado o diagrama de fases de uma determinada substância abaixo com pressão medida em atm e temperatura em graus Celsius, avalie as afirmações: 01) Na passagem do estado X para o Y ocorre a vaporização. 02) Na passagem do estado Y para o Z ocorre a fusão. 04) Sob pressão de atm e temperatura de 3 0 C, a substância se encontra no estado líquido. 08) Se a substância for expandida isotermicamente, a partir do estado X, ela poderá sofrer sublimação. 16) O ponto A está sobre a curva de sublimação. Dê como resposta a soma dos números que precedem as afirmações corretas. 3 1
4. (UEL PR) O gráfico abaixo representa o diagrama de fases da água. A linha A representa a pressão na cidade de Paranaguá, no litoral paranaense. A linha B, na cidade de Londrina, e a linha C, no pico Paraná (ponto culminante do estado do Paraná). Com base nesse gráfico são feitas as seguintes afirmativas: I. Utilizando-se sistemas de aquecimento idênticos para aquecer massas iguais de água, com as mesmas temperaturas iniciais, até o ponto de vapor, gasta-se mais energia na cidade de Londrina que no pico Paraná. II. Nas três localidades, o gasto de energia para aquecer quantidades iguais de água, do ponto de gelo até o ponto de vapor, é o mesmo. III. A temperatura do ponto de gelo em Paranaguá é maior que a temperatura do ponto de gelo em Londrina. Assinale a alternativa correta: a) Apenas a afirmativa I é correta. b) Apenas a afirmativa II é correta. c) Apenas as afirmativas I e III são corretas. d) Todas as afirmativas são corretas. e) Apenas as afirmativas II e III são corretas.. (UFMG) A figura mostra o diagrama de fase de uma substância hipotética. Observando o gráfico, responda às questões que seguem. a) Associe as regiões I, II e III com as fases sólida, líquida e vapor dessa substância. Justifique sua resposta. b) Estime a temperatura de ebulição da substância, quando ela se encontra à pressão constante de 0,6 atm. Explique o raciocínio utilizado. c) Responda se essa substância pode ser sublimada à pressão atmosférica normal. Justifique sua resposta com base nos dados apresentados no gráfico. d) Conceitue ponto triplo e estime-o para essa substância. 6. Considere que o diagrama de fases abaixo pertença a uma substância hipotética. a) Em que fase se apresenta esta substância nas condições normais de temperatura e pressão? b) Se certa massa de vapor desta substância à temperatura de 300 0 C for comprimida isotermicamente, que mudança de estado poderá sofrer? Por quê? c) Localize o ponto triplo e o ponto crítico da substância, explicando as características desses dois estados. 2
7. (Enem) A panela de pressão permite que os alimentos sejam cozidos em água muito mais rapidamente do que em panelas convencionais. Sua tampa possui uma borracha de vedação que não deixa o vapor escapar, a não ser através de um orifício central sobre o qual assenta um peso que controla a pressão. Quando em uso, desenvolve-se uma pressão elevada no seu interior. Para a sua operação segura, é necessário observar a limpeza do orifício central e a existência de uma válvula de segurança, normalmente situada na tampa. O esquema da panela de pressão e um diagrama de fase da água são apresentados abaixo. A vantagem do uso de panela de pressão é a rapidez para o cozimento de alimentos e isto se deve à a) pressão no seu interior, que é igual à pressão externa. b) temperatura de seu interior, que está acima da temperatura de ebulição da água no local. c) quantidade de calor adicional que é transferida à panela. d) quantidade de vapor que está sendo liberada pela válvula. e) espessura da sua parede, que é maior que a das panelas comuns. 8. (Mackenzie - SP) Local Altitude em Relação ao Nível do Mar (m) Rio de Janeiro 0 Cidade do México 2240 São Paulo 70 Monte Everest 884 Nos locais relacionados na tabela, foram colocadas batatas para cozinhar em panelas abertas idênticas, contendo o mesmo volume de água. É de se esperar que as batatas fiquem cozidas em menos tempo: a) No Rio de Janeiro, pois a temperatura de ebulição da água é menor do que nos outros locais. b) No Monte Everest, pois quanto maior for a altitude, maior é a temperatura de ebulição da água. c) Em São Paulo, pois quanto maior for a poluição atmosférica, menor será a temperatura de ebulição da água. d) Na Cidade do México, por estar mais próxima do equador. e) No Rio de Janeiro, pois, ao nível do mar, a água ferve a uma temperatura mais elevada. 9. Numa panela de pressão, a água entra em ebulição a 120 0 C. Quantas calorias são necessárias para aquecer e depois vaporizar totalmente 70 g de água, cuja temperatura inicial é 0 0 C? O calor latente de vaporização da água a 120 0 C vale 23,1 cal/g e o calor específico médio da água líquida é igual a 1 cal/g 0 C. Resp: 4117 cal 10. Em um recipiente termicamente isolado do exterior, coloca-se uma mistura de gelo e água a 0 0 C, sob pressão normal. Fornecendo certa quantidade de calor à mistura, verifica-se que a temperatura não varia e o volume do sistema diminui 0, cm 3. (Dadas as densidades d gelo = 0,92 g/cm 3 e d água = 1 g/cm 3 e o calor latente de fusão do gelo L F = 80 cal/g) a) Explique a diminuição do volume do sistema. b) Calcule a massa de gelo que se transforma em água líquida. c) Determine a quantidade de calor recebida pela mistura. Resp: b) m =,7 g; c) Q = 460 cal 3
11. Ao fundir, o gelo se contrai. A variação de volume é proporcional à massa de gelo que derrete. Sendo d gelo = 0,92 g/cm 3 a densidade do gelo a 0 0 C e d água = 1 g/cm 3 a densidade da água à 0 0 C e L F = 80 cal/g o calor latente de fusão do gelo, determine: a) A massa de gelo que deve derreter para reduzir de 2 cm 3 o volume de certa mistura de água e gelo a 0 0 C. b) A quantidade de calor recebida durante o processo. Resp: a) 23 g; b) 1840 cal 12. Numa experiência de Biologia, um animal foi introduzido numa mistura de água e gelo, sob pressão normal. Decorrido certo tempo, houve contração de 0,64 cm 3 na mistura. No mesmo tempo, a contração teria sido 0,42 cm 3 sem a presença do animal. a) Determine a quantidade de calor que a mistura recebe do animal no intervalo de tempo considerado, sendo dados d gelo = 0,92 g/cm 3 e d água = 1 g/cm 3 e o calor latente de fusão do gelo L F = 80 cal/g. b) Admitamos que o referido tempo seja o necessário para que o animal, inicialmente a 30 0 C, entre em equilíbrio térmico com a mistura à 0 0 C. Consideremos ainda que o animal não produza calor por processos metabólicos e que 20% do calor que ele cede se perca para o ambiente. Determine a capacidade térmica do animal. Resp: a) 202,4 cal; b) 8,43 cal/ 0 C 13. No interior de um cilindro provido de êmbulo está um líquido volátil (por exemplo, éter) em equilíbrio com seu vapor. A temperatura se mantém constante. Responda: a) O equilíbrio entre o líquido e o vapor é estático ou é dinâmico? b) Como é chamada a pressão exercida pelo vapor, nesta caso? c) O que ocorre com o sistema se elevarmos o êmbolo sem variarmos a temperatura? d) Que sucede ao sistema se baixarmos o êmbolo sem variarmos a temperatura? 14. Um cilindro com pistão contém 30 cm 3 de vapor seco de certa substância, sob pressão normal. Se o pistão for movimentado, de modo que o vapor continue seco e o volume passe a 7 cm 3, qual será a nova pressão do vapor? A temperatura se mantém constante durante o processo. Resp: 0,4 atm 1. Um cilindro de volume variável contém, inicialmente, 20 cm 3 de vapor saturante de uma substância a 10 0 C, exercendo uma pressão de 1 cmhg. Se o volume for reduzido à metade, sem alteração de temperatura, considerando-se que ainda haja vapor presente, o que sucede à pressão exercida pelo vapor? Justifique. Resp: 1 cmhg 16. Num dia em que a temperatura ambiente é 20 0 C, a pressão parcial do vapor d água na atmosfera é 7,0 mmhg. Sabendo que a pressão máxima de vapor d água a 20 0 C é igual a 17, mmhg, determine a umidade relativa do ar. Resp: 0,4 17. Sob pressão normal, o gelo-seco (CO 2, na fase sólida) sublima-se a -78, 0 C. Determine a quantidade de calor necessária para sublimar 0 g de gelo-seco à temperatura de sublimação. O calor latente de sublimação do CO 2 sob pressão normal é 142 cal/g. Resp: 7100 cal 18. No Rio de Janeiro (ao nível do mar), uma certa quantidade de feijão demora 40 minutos em água fervente para ficar pronta. A tabela abaixo fornece o valor da temperatura de fervura da água em função da pressão atmosférica, enquanto o gráfico fornece o tempo de cozimento dessa quantidade de feijão em função da temperatura. A pressão atmosférica ao nível do mar vale 760 mm Hg e ela diminui 10 mm de mercúrio para cada 100 m de altitude. Temperatura de fervura da água em função da pressão Pressão em mmhg 600 640 680 720 760 800 840 880 920 960 1000 1040 Temperatura em 0 C 94 9 97 98 100 102 103 10 106 108 109 110 a) Se o feijão fosse colocado em uma panela de pressão a 880 mmhg, em quanto tempo ele ficaria pronto? b) Em uma panela aberta, em quanto tempo o feijão ficará pronto na cidade de Gramado (RS) na altitude de 800 m? c) Em que altitude o tempo de cozimento do feijão (em uma panela aberta) será o dobro do tempo de cozimento ao nível do mar? Resp: a) 20 min; b) 60 min; c) 1200 m 4
19. (Unifesp) Os líquidos podem se transformar em vapor por evaporação ou por ebulição. Enquanto a evaporação é um fenômeno espontâneo, restrito à superfície do líquido e que pode ocorrer a temperatura e pressão ambientes, a ebulição ocorre em todo o líquido, sob condições de pressão e temperatura determinadas para cada líquido. Mas ambas as transformações, para se efetivarem, exigem o consumo da mesma quantidade de calor por unidade de massa transformada. a) Quando as roupas são estendidas nos varais, ou a água no piso molhado de um ambiente é puxada pelo rodo, tem-se por objetivo apressar a secagem transformação da água em vapor dessas roupas ou do piso. Qual a causa comum que se busca favorecer nesses procedimentos? Justifique. b) Avalia-se que a área da superfície da pele de uma pessoa adulta seja, em média, da ordem de 1,0 m 2. Suponha que, ao sair de uma piscina, uma pessoa retenha junto à pele uma camada de água de espessura média 0,0 mm. Qual a quantidade de calor que essa camada de água consome para evaporar? Que relação tem esse cálculo com a sensação de frio que sentimos quando estamos molhados, mesmo em dias quentes? Justifique. (Dados: densidade da água = 1000 kg/m 3 ; calor latente de vaporização da água = 2300 kj/kg.) Resp: b) 110 kj 20. (UFF-RJ) Marque a opção que representa a afirmativa falsa: a) Uma substância não existe na fase líquida quando submetida a pressões abaixo daquela de seu ponto triplo. b) A sublimação de uma substância é possível se esta estiver submetida a pressões mais baixas que a de seu ponto triplo. c) Uma substância só pode existir na fase líquida se a temperatura a que estiver submetida for mais elevada que a sua temperatura crítica. d) Uma substância não sofre condensação a temperaturas mais elevadas que sua temperatura crítica. e) Na Lua, um bloco de gelo pode passar diretamente para a fase gasosa. 21. (Unifra RS) Assinale verdadeiro (V) ou falso (F) e marque a opção com a sequência que julgar correta. ( ) A pressão máxima de vapor de uma substância cresce com a temperatura da substância. ( ) O ponto triplo de uma substância é caracterizado por um par de valores de pressão e temperatura, para os quais coexistem, em equilíbrio, o sólido, o líquido e o vapor da substância. ( ) É possível que a água ferva à temperatura de 70 0 C. A sequência correta é: a) V V V b) V F V c) V F F d) F V F e) F F V