terça-feira, 12 de abril de 2016

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Diagrama de fase da água. Fonte: Física Básica

10ª aula
Mudanças de fase (III)

Borges e Nicolau

Influência da pressão nas temperaturas de fusão e de ebulição

A maioria das substâncias aumenta de volume na fusão e, portanto, diminui de volume ao se solidificar. Para estas substâncias, um aumento de pressão acarreta um aumento na temperatura de fusão.

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Existem exceções, como por exemplo a água. Para estas substâncias o volume diminui na fusão e, portanto, aumenta na solidificação. Para as exceções, um aumento de pressão acarreta uma diminuição na temperatura de fusão.

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Para todas as substâncias, um aumento de pressão acarreta um aumento na temperatura de ebulição.

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Diagrama de fases

Maioria das substâncias (como por exemplo o CO2)

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Exceções (como por exemplo a água)

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Curva de fusão (1)
Delimita as regiões correspondentes às fases sólida e líquida. Cada ponto dela é representativo de um estado de equilíbrio entre essas fases.

Curva de vaporização (2)
Delimita as regiões correspondentes às fases líquida e de vapor. Cada ponto dela é representativo de um estado de equilíbrio entre essas fases.

Curva de sublimação (3)
Delimita as regiões correspondentes às fases sólida e de vapor. Cada ponto dela é representativo de um estado de equilíbrio entre essas fases.

Ponto triplo ou tríplice (T)
Estado comum às três curvas; é representativo do equilíbrio entre as três fases da substância.

Ponto crítico (C)
Estado em que corresponde à mais alta temperatura em que a substância é um vapor.
Vapor (θ θc): liquefaz-se por compressão isotémica.
Gás (θ > θc): não se liquefaz por compressão isotérmica.

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Animação:
Diagrama de fases
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Exercícios básicos

Exercício 1:
Uma determinada porção de uma substância passa do estado líquido para o estado sólido. A porção de sólido obtida flutua sobre a parte que ainda está líquida. Pode-se afirmar que:

a) O volume da substância diminui com a solidificação.
b) Os estados sólido e líquido desta substância têm mesma densidade.
c) Para esta substância um aumento de pressão acarreta uma diminuição na temperatura de fusão.
d) Para esta substância um aumento de pressão acarreta um aumento na temperatura de fusão.
e) A temperatura de fusão desta substância é a mesma, qualquer que seja a pressão sobre ela exercida.

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x
Exercício 2:
Um aumento da pressão sobre o gelo faz com que sua temperatura de fusão:

a) mantenha-se constante
b) diminua
c) aumente
d) aumente e a seguir diminua
e) diminua e a seguir aumente

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x
Exercício 3:
Você sabe que a água entra em ebulição a 100 ºC quando sob pressão 
normal (1 atm). É possível ferver a água à temperatura ambiente?

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Exercício 4:
Analise a proposição abaixo e assinale se está certa ou errada.

"O ponto de ebulição da água é sempre 100 ºC em qualquer ponto da superfície terrestre, mesmo que ela esteja sendo fervida em recipientes abertos e em locais de altitudes diferentes".

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x
Exercício 5:
Analise a proposição abaixo e assinale se está certa ou errada.

"Quando a água é aquecida numa panela de pressão fechada, a temperatura atingida é maior do que 100 ºC pois a pressão no interior da panela é maior do que 1 atm".

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x
Exercício 6:
O diagrama de fases apresentado abaixo é de uma substância hipotética.

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a) Em que fase a substância se encontra quando sob pressão de 300 mm Hg e à temperatura de 10 ºC?
b) Em que fase a substância se encontra quando sob pressão de 300 mm Hg e à temperatura de 30 ºC?
c) Qual é o nome da mudança de fase que ocorre quando a substância passa de B para A?
d) Qual é o nome da mudança de fase que ocorre quando a substância passa de D para E?
e) Em que fase a substância não poderá se encontrar se estiver submetida a uma pressão inferior à do ponto triplo T?
f) Sendo C o ponto crítico, é possível liquefazer a substância, por meio de uma compressão isotérmica, estando à temperatura de 70 ºC?

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Exercícios de revisão

Revisão/Ex 1:
(Fatec–SP)
Uma porção de certa substância está passando do estado líquido para o estado sólido. Verifica-se que o sólido que se forma flutua sobre a parte ainda líquida. Com essa observação, é correto concluir que:


a) a densidade da substância aumenta com a solidificação
b) a massa da substância aumenta com a solidificação
c) a massa da substância aumenta com a fusão
d) o volume da substância aumenta com a fusão
e) o volume da substância aumenta com a solidificação


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Revisão/Ex 2:
(Unifor–CE)
Acerca das mudanças de fase das substâncias, considere as afirmativas que seguem.
I. Se uma substância aumenta de volume ao sofrer fusão, um aumento de pressão sobre ela deverá diminuir o seu ponto de fusão.
II. Um líquido pode se solidificar, à temperatura constante, apenas por elevação da pressão sobre ele.
III. Uma substância, mantida à temperatura constante e menor que a do ponto tríplice, pode passar do estado sólido ao gasoso apenas por redução da pressão.
Dentre essas afirmativas, somente:

a) I é correta.                    b) II é correta.                     c) III é correta.
d) I e II são corretas.          e) II e III são corretas.


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Revisão/Ex 3:
(VUNESP)
A liofilização é um processo de desidratação de alimentos que, além de evitar que seus nutrientes saiam junto com a água, diminui bastante sua massa e seu volume, facilitando o armazenamento e o transporte. Alimentos liofilizados também têm seus prazos de validade aumentados, sem perder características como aroma e sabor.



O processo de liofilização segue as seguintes etapas:
I. O alimento é resfriado até temperaturas abaixo e 0 °C para que a água contida nele seja solidificada.
II. Em câmaras especiais, sob baixíssima pressão (menores do que 0,006 atm), a temperatura do alimento é elevada, fazendo com que a água sólida seja sublimada.
Dessa forma, a água sai do alimento sem romper suas estruturas moleculares, evitando perdas de proteínas e vitaminas.
O gráfico mostra parte do diagrama de fases da água e cinco processos de mudança de fase, representados pelas setas numeradas de 1 a 5.



A alternativa que melhor representa as etapas do processo de liofilização, na ordem descrita, é:


a) 4 e 1.               b) 2 e 1.               c) 2 e 3.
d) 1 e 3.               e) 5 e 3.


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Revisão/Ex 4:
(UDESC-SC)
Para cada substância simples pode-se fazer um gráfico, denominado diagrama de fase, em que cada ponto corresponde a uma combinação de pressão e temperatura bem definidas. Essa combinação de pressão e temperatura determina a fase da substância. A figura mostra o diagrama de fase da água.



Analisando o diagrama de fase da água, todas as alternativas estão corretas, exceto a:

a) O ponto A é o ponto triplo da água.
b) A água está na fase gasosa no ponto Z.
c) A curva AB é a curva de vaporização.
d) A água está na fase sólida no ponto X.
e) O ponto B é o ponto de ebulição da água nas condições normais de temperatura (0 °C) e pressão (1 atm).


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Revisão/ Ex 5:
(FMABC-SP)
O gráfico representa o diagrama de fases do “gelo seco”. PT e PC representam, respectivamente, ponto triplo e ponto crítico da substância.



Analise este diagrama e assinale a alternativa correta.


a) Acima de 31 ºC, a substância apresenta-se no estado gasoso.
b) É possível liquefazer o gás apenas aumentando a temperatura de - 56,6 ºC para 31 ºC.
c) A substância apresenta-se no estado sólido para valores de pressão acima de uma atmosfera.
d) A substância apresenta-se sempre no estado líquido para a temperatura de 20 ºC.
e) A substância apresenta-se em mudança de estado para a pressão de 5,1 atm e temperatura de -10 ºC.


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z
Desafio:

No esquema da figura é apresentado o diagrama de estado do nitrogênio.



a) que nome se dá a cada uma das curvas A, B e C?

b) Como se denomina o ponto indicado por X na figura e quais são as suas características?
c) Sob pressão de 20 cmHg e à temperatura de -220 °C, em que estado de agregação se encontra o nitrogênio?
d) Se a pressão for de 5 cmHg e a temperatura 20 °C, qual o estado de agregação de nitrogênio?
e) Considere o nitrogênio no estado sólido. Se ele for aquecido sob pressão superior a 10 cmHg, que mudança de estado poderá sofrer? E se for aquecido sob pressão inferior a 10 cmHg?

A resolução será publicada na próxima terça-feira.

Resolução do desafio anterior 

Uma mistura de gelo e água a 0°C é colocada num tubo de ensaio, ocupando o volume de 30 cm3. O sistema foi aquecido até a total fusão do gelo. O volume do conteúdo passou a 29 cm3, a 0°C. Qual a quantidade de calor que foi absorvida pela mistura gelo e água?

Dados:
Calor latente de fusão do gelo: 80 cal/g
Densidade do gelo a 0°C: 0,9 g/
cm3 
Densidade da água a 0°C: 1 g/cm3


O volume diminuiu pois ocorreu fusão do gelo.

Cálculo da massa de gelo que sofreu fusão.


Seja M a massa de gelo, X seu volume antes da fusão e (X-1)
cm3, após a fusão. Temos:

0,9 = M/X (1) e 1 = M/(X-1) (2)


(1)/(2): 


0,9 = (X-1)/X => 0,9X = X-1 => 0,1X = 1 => x = 10 cm3

De (1), vem: M = 9 g


A quantidade de calor recebida pela mistura equivale à quantidade de calor necessária para a fusão de M = 9 g de gelo:


Q = M.L => Q = 9.80 => Q = 720 cal


Resposta: 720 cal

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