Curva de aquecimento e diagrama de mudanças de fase

Quando estamos estudando calorimetria é muito importante conhecermos a definição e os conceitos de todos os termos que são utilizados: temperatura, curva de aquecimento, calor, etc. E, ainda mais, sabermos como e onde utilizar esses termos.

Você já consegue definir o que é calor latente? E como ele está ligado às curvas de aquecimento dos corpos? Aliás, o que é curva de aquecimento? Vamos estudar todos esses temas agora.

Calorimetria

Primeiramente, vamos relembrar os conceitos de temperatura, calor e mudanças de fase.

Assim, podemos dizer que a definição de calor está ligada à transferência de energia térmica de um corpo de maior temperatura, para um de menor temperatura.

Contudo, você já se perguntou se é possível que um corpo receba uma certa quantidade de calor, mas mesmo assim não varie a sua temperatura?

E se não variar a temperatura, o que acontece, então, com a energia térmica recebida pelo corpo? Nesse sentido, iremos falar sobre o calor latente e a curva de aquecimento, para ajudar você a responder essas e outras dúvidas sobre Calorimetria.

Temperatura

Vamos voltar à pergunta que fizemos acima: seria possível uma substância, ou um corpo, receber calor e mesmo assim manter sua temperatura constante?

A resposta é: sim!

A definição de temperatura está ligada a agitação das moléculas dos corpos. Ou seja, esse movimento vibratório é ligado a energia cinética média destas moléculas, e isso remete à agitação térmica.

Mas a energia cinética não é o único tipo de energia associada às partículas: há também o que chamamos de energia potencial, que é responsável por manter a temperatura de um corpo constante mesmo sob a ação de uma fonte de calor.

Quando a temperatura se mantém constante, mesmo que um corpo esteja recebendo energia térmica de uma fonte de calor, ocorre o que chamamos de mudança de fase.

Ou seja, o que pode ocorrer é fornecer calor a um corpo, e a energia ser utilizada para a separação das partículas, não para um aumento de temperatura. E é exatamente isso que acontece quando uma substância está mudando de fase.

As mudanças de fase da água

Temos três estados básicos de agregação da matéria: sólido, líquido e gasoso. E esses estados de agregação são denominados fases da substância.

Como falamos acima, o processo de mudança de fase envolve trocas de calor. Mas, durante o processo, a temperatura permanece constante.

Curva de aquecimento

Nas passagens dos estados de sólido para líquido, de líquido para vapor e de sólido para vapor, a substância recebe calor. E nesse sentido temos o aquecimento da substância, que é o que vamos aprofundar nesta aula.

A imagem 4 nos mostra as fases da matéria e seus processos de mudança quando uma substância recebe calor. Agora vamos analisar um gráfico (imagem 5) que ilustra o comportamento da temperatura, medida em graus Celsius, de certa quantidade água.

Observe que a água inicialmente se encontra em fase sólida, que é aquecida sob pressão constante de 1 atm. Lembrando que para substâncias puras, a temperatura durante a mudança de fase permanece constante.

As linhas horizontais do gráfico são chamadas de patamares. Nesses setores, observamos que a substância recebe calor, mas a sua temperatura permanece constante.

Cada patamar corresponde, portanto, a mudança de fase onde coexistem duas fases da substância: no primeiro, sólido e líquido e, no segundo, líquido e vapor.

Ou seja, nesses patamares existe, por exemplo, tanto gelo e água a 0°C no primeiro caso, e tanto água e vapor a 100°C no segundo caso.

Há também os casos inversos de resfriamento das substâncias, ou seja, os casos de perdas de calor, mas isso iremos tratar em outro post.

Calor latente

É visto que cada substância, em cada mudança de fase, requer certa quantidade de calor, cedido ou recebido, para que ocorra esse processo. A quantidade de calor Q, por unidade de massa m, necessária para a mudança de fase é uma característica da substância e do tipo de mudança fase.

A essa característica chamamos de Calor Latente L, dada por:

$L = \frac{Q}{m}$

O calor latente, dado por cal/g ou em J/kg, é considerado positivo nos processos em que o corpo recebe calor e negativo em processos onde o corpo cede calor. Os valores de L, das substâncias puras são tabelados, e nos exercícios que você irá resolver basta utilizar as informações dadas.

Vamos ver um exemplo: um recipiente armazena um cubo de gelo de 500 g. Sem que haja mudanças na temperatura do gelo, repentinamente, todo o seu conteúdo é fundido e transformado em água.

Determine a quantidade de calor que foi transferida para o conteúdo desse recipiente. Dado Lf = 80 cal/g.

Para resolver esse exemplo vamos utilizar: Q = m.L

Q = 500.80

Q = 40000 cal

Portanto, a quantidade de calor recebido é Q = 40000 cal.

Simples né? Agora para tirar todas as suas dúvidas sobre curva de aquecimento, veja esta aula do professor Marcelo para o nosso canal no YouTube:

Exercícios sobre curva de aquecimento

UFPR (2013)

O gráfico a seguir, obtido experimentalmente, mostra a curva de aquecimento que relaciona a temperatura de uma certa massa de um líquido em função da quantidade de calor a ele fornecido.Sabemos que, por meio de gráficos desse tipo, é  possível obter os valores do calor específico e do calor latente das substâncias estudadas.

Assinale a alternativa que fornece corretamente o intervalo em que se pode obter o valor do calor latente de vaporização desse líquido.

a) AB

b) BD

c) ED

d) CD

e) EF

2) (ENEM)

A água apresenta propriedades físico-químicas que a coloca em posição de destaque como substância essencial à vida. Dentre essas, destacam-se as propriedades térmicas biologicamente muito importantes, por exemplo, o elevado valor de calor latente de vaporização.

Esse calor latente refere-se à quantidade de calor que deve ser adicionada a um líquido em seu ponto de ebulição, por unidade de massa, para convertê-lo em vapor na mesma temperatura, que no caso da água é igual a 540 calorias por grama.

A propriedade físico-química mencionada no texto confere à água a capacidade de:

a) servir como doador de elétrons no processo de fotossíntese.

b) funcionar como regulador térmico para os organismos vivos.

c) agir como solvente universal nos tecidos animais e vegetais.

d) transportar os íons de ferro e magnésio nos tecidos vegetais.

e) funcionar como mantenedora do metabolismo nos organismos vivos.

3)

A curva de aquecimento, representada no gráfico, mostra a variação de temperatura em função do tempo, de uma amostra de álcool vendido em supermercado.

De acordo com essas informações, uma análise desse gráfico permite corretamente afirmar:

A) O álcool da amostra é uma substância composta pura.
B) O vapor formado no final do aquecimento contém apenas etanol.
C) A temperatura de ebulição mostra que esse álcool é uma mistura azeotrópica.
D) A temperatura de ebulição constante caracteriza que o álcool da amostra é isento de água.
E) A temperatura de fusão variável mostra que o álcool vendido em supermercado é uma mistura eutética.

Gabarito: 1) C ; 2) B ; 3) C