Primeiro bimestre de 2016.

Aula 07 - Mudança de estado físico e o calor latente.

Apesar dos grandes avanços no nosso conhecimento científico, ainda hoje não temos informação sobre a maior parte da matéria existente no universo. Sabemos que essa matéria desconhecida existe, pois podemos medir a sua influência gravitacional. Pouco mais sabemos sobre ela e, por isto, os físicos a chamam de matéria escura.

Da matéria restante, grande parte é composta pelos gases e poeira existentes no espaço sideral e pela matéria que constitue as estrelas. Nas estrelas a matéria está num estado chamado plasma, um gás de partículas carregadas eletricamente.

Do pouco de matéria que resta temos, no final da fila, a matéria bem comportada que compõe os planetas, luas e asteróides. Esse tipo de matéria se apresenta em três estados físicos básicos: sólido, líquido e gasoso. Ver a imagem acima.

A existência de um corpo num desses estados físicos está ligada ao tipo de organização das moléculas que o compõem e da sua Energia Interna. Nos gases as moléculas têm grande liberdade e se movimentam por todo o volume disponível. Nos líquidos essa liberdade é menor, pois as forças de atração entre as moléculas são mais intensas. Finalmente, nos sólidos, as moléculas estão fixas nos nós de uma rede e possuem apenas o movimento de vibração. Isto dá aos sólidos uma forma fixa. Ver imagem ao lado.

Assim,as forças de interação de origem elétrica entre as moléculas do material organizam as moléculas, mas essa organização muda quando o corpo varia a sua Energia Interna. Nas aulas anteriores vimos que as duas maneiras de se variar a Energia Interna de um corpo é ceder ou receber calor e realizar ou receber trabalho.

Para todos os corpos essa variação de energia pode provocar o que na física chamamos de mudança de fase ou mudança de estado. Os nomes desses processos estão listados na imagem abaixo.


Todo corpo percorre estes três estados na sequência sólido-líquido-gasoso a medida que sua temperatura aumenta e, no sentido inverso, a medida que sua temperatura diminui . Durante essas transformações a temperatura permanece constante, pois a energia uqe o corpo recebe deixa de se transformar em energia de movimento das moléculas.


Mudança de estado dos corpos.

Mudar de estado físico, ou mudar de fase, significa um rearranjo na estrutura do conjunto de moléculas ou átomos de um corpo. Em todo material, a qualquer temperatura, as moléculas estão sempre em movimento. No estado gasoso, no entanto, as móleculas guardam grandes distâncias entre si embora colidam constantemente umas com as outras.

No estado líquido as moléculas estão próximas, mas mudam constantemente de posição em relação às outras moléculas. Finalmente, no estado sólido as moléculas estão presas numa "rede" e permanecem vibrando em suas posições. Vejam na imagem abaixo.

Para entender melhor o comportamento dos átomos e moléculas nesses três estados siga o link "Os átomos nos três estados da matéria" na coluna ao lado.



O conceito de Calor Latente.

Na aula passada vimos que a energia interna de um corpo sempre "flui" de um corpo de maior temperatura para outro com temperatura menor. Chamamos essa energia de calor.

Na natureza, observa-se que em algumas situações, um corpo que absorve ou cede calor não varia a sua temperatura. Neste caso, a pergunta que se faz é: se a energia não aparece como variação no movimento das moléculas, para onde ela está indo?

Nesses casos a energia está sendo usada para alterar a estrutura ou organização das moléculas do material, isto é, a energia aparece como energia potencial guardada nas ligações entre as moléculas do corpo.

Afirmamos então que a energia está em estado "latente" no objeto.

- Ainda assim, espírito sem luz, devemos ser capazes de medi-la. Para fazer isto inventamos uma grandeza chamada "Calor Latente".

O calor latente de um material (L) nada mais é a quantidade de calor que uma grama desse material absorve, ou cede, para mudar de estado. Sendo assim, é claro que devemos determinar um calor latente para cada tipo de mudança, isto é, para a fusão (solidificação), para a ebulição (condensação).

Com isto, para calcular a quantidade de energia (Q) que um corpo absorve, ou cede, para mudar seu estado, basta multiplicar o calor latente do matrial pela sua massa (m). Veja imagem abaixo.

Repare que a fórmula que empregamos na aula anterior não pode ser usada aqui, pois durante a mudança de estado de um material a temperatura não varia.

Quando estivermos trabalhando no cálculo da quantidade de calor devemos estar atentos para notar se no processo existe uma mudança de estado. Nesse caso as duas fórmulas, do calor sensível e do calor latente, devem ser aplicadas. Veja nos exercícios abaixo.



Exercício 01.

Calcule a quantidade de calor necessária para transformar um bloco de gelo de massa igual a 100 gramas em água a 0°C, sob pressão normal de 1,0 atm. Suponha a temperatura inicial do gelo igual a:

a) 0°C

b) - 20 °C


Dados: calor específico do gelo 0,5 cal/g.°C. Calor latente de fusão do gelo 80 cal/g


a) - Repare a pressão sobre o gelo é de 1,0 atm. Nessas condições o gelo derrete a 0 °C. Isto significa que o material irá absorver energia na forma de calor e não mudará a sua temperatura.

Temos então

Q = m . Lfusão gelo --> Q = 100 . 80 --> Q = 8000 cal.

A transformação foi de gelo a 0°C para água a 0°C. Para isto, foi necessário absorver 8.000 calorias de calor para derreter 100 g de gelo.

b) - Neste item começamos com o gelo a - 20°C. Isto significa que ele terá que ser aquecido até 0°C para poder iniciar o processo de fusão.

Para aquecer o gelo.

Q = m . c . delta T --> Q = 100 . 0,5 . (0 - (- 20)) --> Q = 50 . 20 --> Q = 1000 cal.

Assim foram necessárias 1.000 cal para aquecer o gelo e 8.000 cal para transforma-lo em água. Total de 9.000 cal para completar o processo.



Exercício 02.

Calcule a quantidade de calor necessária para transformar 100 g de água em vapor d'água a 100°C sob pressão normal de 1,0 atm. Suponha a temperatura inicial da água igual a:

a) 100°C

b) 20°C


Dados: calor específico da água 1,0 cal/g.°C. Calor latente de vaporização da água 540 cal/g


a) - Repare a pressão sobre o gelo é de 1,0 atm. Nessas condições a água entra em ebulição a 100 °C. Isto significa que o material irá absorver energia na forma de calor e não mudará a sua temperatura.


Temos então

Q = m . Lebulição água --> Q = 100 . 540 --> Q = 54000 cal.

A transformação foi de água a 0°C para vapor a 100°C. Para isto, foi necessário absorver 54.000 calorias de calor para vaporizar 100 g de água. Repare que temos que gastar muito mais energia do que na liquefação do gelo.

b) - Neste item começamos com água a 20°C. Isto significa que ele terá que ser aquecido até 100°C para poder iniciar o processo de ebulição.

Para aquecer a água.

Q = m . c . delta T --> Q = 100 . 1,0 . (100 - 20) --> Q = 100 . 80 --> Q = 8000 cal.

Assim foram necessárias 8.000 cal para aquecer a água e 54.000 cal para transforma-la em vapor. Total de 62.000 cal para completar o processo.

Repare que a transformação de água em vapor consome muito mais energia. Por isto usamos vapor de água na geração de energia elétrica nas usinas termoelétricas. A quantidade de energia aumenta bastante se a pressão for maior.




   
   
  
   
   
   
   
   
   

Material complementar ao assunto tratado nesta aula.


Entenda o comportamento dos átomos e moléculas em cada um dos três estados básicos da matéria.

   
   
  
   
   
Os átomos nos três estados da matéria