Mudança de Estado Físico

Em nosso dia a dia encontramos as substâncias em três aspectos físicos diferentes, denominados estados que são o sólido, líquido e gasoso.

No estado sólido, os átomos e moléculas de um corpo estão fortemente unidos, com pouca mobilidade. O  movimento vibratório ocorre em torno de posições definidas, como se os átomos e moléculas estivessem ligados por molas (a essas posições definidas dá-se o nome de reticulo cristalino). Como consequência, os sólidos possuem forma e volume definido.

estrutura atômica no estado sólido
Estrutura atômica no estado sólido – átomos e/ ou moléculas firmemente unidos

No estado líquido, as interações entre átomos e moléculas ainda são suficientemente fortes para dificultar sua separação, o que garante ao líquido um volume definido.

No estado gasoso, a separação entre os átomos e moléculas é grande o suficiente para que se possam movimentar desorganizadamente e com grande liberdade, buscando expandir-se por todo o volume disponível. Por isso é que um cheiro rapidamente se espalha por todo um ambiente.

Fazendo uma substância ganhar ou perder calor, podemos promover as seguintes mudanças em seu estado:

Transformações do estado da matéria
O ciclo de transformações do estado da matéria

Fusão e solidificação

Fusão: passagem do estado sólido para o líquido.
A medida que fornecemos calor a um sólido, a amplitude das oscilações de seus átomos e moléculas aumenta e, portanto, também sua temperatura.

Atingida uma determinada temperatura, as moléculas passam não mais vibrar em torno de posições definidas, rompendo o reticulo cristalino, começando o processo de fusão.

Com uma pressão constante, a temperatura permanece constante durante esse processo. Isso ocorre porque o calor fornecido implica um aumento da distância média entre os átomos e  moléculas, sem aumentar a velocidade de vibração delas – a temperatura. Ela só voltara a subir depois que todo sólido já tiver passado para o estado líquido e mais calor continuar sendo fornecido.

O fato da temperatura permanecer constante durante a mudança de estado dá origem ao dois tipos de calor, sensível e latente.

Solidificação

Passagem do estado líquido para o sólido. À medida que retiramos calor de um líquido reduzimos a energia térmica de seus átomos e moléculas e, com isso, sua temperatura diminui. Atingida uma determinada temperatura, a agitação torna-se devagar o suficiente para permitir a aproximação entre os átomos e moléculas e reconstituir o retículo cristalino. Inicia-se então a solidificação.

Com pressão externa constante, a temperatura permanece constante durante essa reconstituição.

Novamente isso ocorre porque o calor retirado corresponde apenas aquele que mantinha os átomos e moléculas afastados, não o envolvido na agitação delas. A temperatura só voltara a diminuir depois que todo o líquido tiver passado para o estado sólido e mais calor continuar sendo retirado.

Pontos importantes:

  • para uma mesma substância e uma mesma pressão externa, a temperatura de fusão é igual a de solidificação;
  • não havendo alteração de pressão externa, a temperatura da substância se mantem constante durante a sua fusão ou solidificação (ver tópico calor latente);
  • a temperatura de fusão (ou solidificação), na pressão de 1 atm, chama-se ponto de fusão (ou solidificação).
Ponto de fusão de algumas substancias conhecidas a 1 atm – oC
água 0
álcool etílico -114
alumínio 658
chumbo 327
cobre 1083
ferro 1535
hidrogênio -259
mercúrio -39
nitrogênio -210
oxigênio -219
tungstênio 3380

Influência da pressão na temperatura de fusão

Quase todas as substâncias aumentam de volume quando passam do estado sólido para o líquido.

aumento de volume na mudança de estado sólido para líquido
Aumento de volume na mudança de estado sólido para líquido

Esse aumento de volume é dificultado pela pressão externa. Assim, quanto maior for a pressão externa, maior será a temperatura necessária para o sólido fundir-se.

A tabela abaixo mostra a influência da pressão na temperatura de fusão do enxofre:

p (atm) oC
1 107
519 135,2
792 140,5

Evaporação

E um tipo de vaporização lenta que ocorre na superfície livre de um líquido. Este fenômeno não requer condições físicas específicas para ocorrer: não há uma temperatura determinada para um líquido evaporar. A água do mar, por exemplo, evapora a 5o C, 20o C ou 60o C. Entretanto, a temperatura influiu na rapidez com que ocorre a evaporação: em temperaturas mais altas, a “velocidade” da evaporação é maior.

Observando o mar ou um tanque contendo água, por alguns minutos, não notamos uma mudança no nível da água, evidência da evaporação, o que mostra que ela lenta.

As moléculas de um líquido possuem, a cada momento, energias térmicas diferentes: algumas têm ela relativamente baixa, outras muito altas e a maioria tem níveis intermediários de energia térmica.

As forças de atração das moléculas dificultam o escape das moléculas situadas na superfície de um líquido. No entanto, as de maior energia térmica conseguem escapar.

Como a temperatura está associada a energia térmica média das moléculas, a saída das mais energéticas reduz a energia térmica média das remanescentes, ou seja, reduz a temperatura do líquido que ainda não evaporou. Assim, a evaporação provoca o resfriamento do líquido.

(Por exemplo, quando molhamos a mão com éter, sentimos esfriar a região molhada, porque as moléculas do éter de maior energia térmica evaporam, sobrando as de energia térmica menor. Assim, a temperatura do éter que resta diminui, provocando uma transferência de calor da mão para ele e a consequente sensação de frio. O processo de evaporação continua, a custa do calor recebido da mão. Também a evaporação da água que escapa pelas porosidades dos potes e das moringas de barro que a mantém fresca, mesmo em dias quentes.

Pontos importantes:

a “velocidade” de evaporação diminui quando aumenta a concentração do vapor líquido nas vizinhanças do líquido. Isso ocorre porque as moléculas do líquido que foram para o ambiente podem retornar para ele: mais moléculas no ambiente implica em maior número de retorno. Por isso, numa mesma temperatura alta de Verão, temos uma sensação térmica de “menos calor” quando o ambiente está seco, pois a velocidade de evaporação do suor é maior. Os aparelhos de ar-condicionado retiram umidade do ar, tornando o ambiente mais seco. Os ventiladores arrastam o vapor de água já formado nas proximidades das pessoas;

  • a velocidade de evaporação de um determinado líquido, numa determinada temperatura é tanto maior quanto maior a área da superfície livre. Por isso a roupa estendida no varal seca mais rápido do que se estivesse amontoada;
  • mantidas as demais condições, a “velocidade” de evaporação aumenta quando a temperatura aumenta e diminui quando a pressão sobre o líquido aumenta.

Ebulição

É a vaporização intensa e turbulenta que ocorre ao longo de todo a massa líquida, com a formação de bolhas de vapor junto as superfícies aquecidas. Essas bolhas de vapor aumentam de volume à medida que se elevam no líquido, em virtude da redução da pressão.

Ao contrário da evaporação a ebulição só acontece quando é atingida uma determinada temperatura, que depende da pressão exercida sobre o líquido pelo ambiente. Quando aumenta a pressão sobre o líquido, aumenta, também a temperatura que ele deve atingir para entrar em ebulição.

Evaporação e ebulição: diferença
A diferença entre a evaporação e a ebulição é a velocidade que o processo ocorre

Fornecendo calor a um líquido, a energia térmica de suas moléculas aumenta, ou seja, sua temperatura aumenta. No entanto, quando uma determinada temperatura é atingida, o fornecimento de mais calor ao líquido, ao invés de provocar a elevação da temperatura, faz com que suas moléculas de separem, vencendo a força de união que as mantinha no estado líquido.

Para cada pressão, as substâncias têm uma determinada temperatura de ebulição permanecendo constante a pressão, a temperatura não varia durante toda a ebulição, da mesma forma como acontece com a fusão e solidificação (ver calor latente).

Ponto de ebulição

É a temperatura que ocorre a ebulição de uma substância a pressão de 1 atm. A tabela abaixo fornece os pontos de ebulição de algumas substancias:

Ponto de ebulição de algumas substancias conhecidas a 1 atm – oC
água 100
álcool etílico 78
alumínio 1800
chumbo 1620
cobre 2300
ferro 3000
hidrogênio -253
mercúrio 356
nitrogênio -196
oxigênio -183

Quando reduzimos a temperatura de um vapor, o movimento de suas moléculas torna-se mais lento, possibilitando a união daquelas que se encontram. Assim elas se aglomeram, passando para o estado líquido: e a liquefação ou condensação.

Mantida a mesma pressão, a temperatura permanece constante enquanto todo o vapor não tiver se transformado em líquido.

Gráfico de aquecimento/ resfriamento da água e mudança de estado

gráfico de mudança do estado da água
Gráfico mostrando a mudança de estado da água

Sublimação e sublimação inversa

Sublimação

É a passagem direta do estado sólido para o gasoso, sem passar pelo estado líquido. Os líquidos em geral estão sempre sublimando, isto é, liberando vapores. Uma prova disso é o fato de cada sólido ter um cheiro característico. Um exemplo tradicional de sublimação é o da bolinha de naftalina: muito lentamente ela vai diminuindo de tamanho, pois perde massa na forma de vapor. Esse processo lento é parecido com o da evaporação de um líquido.

A sublimação inversa é o processo contrário, isto a passagem do estado gasoso para o sólido.

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