Curva de aquecimento e diagrama de mudanças de fase

Curva de aquecimento é a maneira de representar graficamente a variação de temperatura de uma substância durante seu aquecimento.

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.

calorimetria mudança de fases
Imagem 1: cubos de gelo derretendo.

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.

calorimetria fornecimento de calor
Imagem 2: Desenho esquemático de uma fonte fornecendo calor à uma certa quantidade de água.

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.

fases físicas da materia
Imagem 3: diagrama mostrando os 3 estados físicos da água – fase sólida, líquida e gasosa respectivamente.

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.

mudanças de fase
Diagrama demonstrando as mudanças de fase da matéria através do aquecimento dos corpos.

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.

aquecimento da água
Imagem 5: Curva de aquecimento da água (o gráfico mostra o aquecimento de um cubo de gelo, fora de escala).

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 = Qm

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.

exercício curva de aquecimento

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.

curva de aquecimento exercício

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

Sobre o(a) autor(a):

Os textos e exemplos acima foram preparados pela professora Tairine Favretto para o Blog do Enem. Tairine é formada em Física – Licenciatura na Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), e é Mestra em Educação Científica e Tecnológica também pela UFSC. Ministra aulas de Física e Ciências da Natureza em escolas da Grande Florianópolis desde 2014. Facebook: https://www.facebook.com/tairine.favretto Instagram: @proftaifisica