Por que na fusão solidificação e na vaporização condensação a temperatura permanece constante

Rosimar Gouveia

Professora de Matemática e Física

A fusão é a mudança do estado sólido para o estado líquido. Ela ocorre quando um corpo, submetido a uma dada pressão, recebe calor e sua temperatura atinge um determinado valor.

A quantidade de calor que o corpo deve receber para se transformar totalmente em líquido, depende da substância que o constitui.

De uma forma geral, quando uma substância está no estado sólido apresenta uma forma bem definida. Seus átomos estão organizados ordenadamente em uma estrutura chamada de rede cristalina.

Quando recebe calor, os átomos que formam o sólido aumentam sua vibração, aumentando sua temperatura.

Se a energia recebida aumentar, a vibração dos átomos irá desfazer a rede cristalina e o corpo passará para o estado líquido.

Leis da Fusão

1. Mantendo-se constante a pressão, a temperatura durante todo o processo de fusão permanece constante.
2. A quantidade de calor por unidade de massa é chamado de calor latente de fusão e é uma característica da substância.
3. A temperatura em que cada substância sofre fusão é bem determinada, e é chamada de ponto de fusão.

Quando submetido a uma pressão de 1 atmosfera a água se funde a 0 ºC, enquanto o ponto de fusão do ferro é 1.535 ºC e do cloro é 101,5 ºC.

Quantidade de Calor Latente

A quantidade de calor necessária para um corpo mudar de estado, depende do valor do calor latente de fusão e da massa do corpo.

O valor do calor latente varia de acordo com a substância que compõe o corpo. Na tabela abaixo, apresentamos os valores de algumas substâncias.

Fórmula

A quantidade de calor necessária para um corpo mudar de fase é dada pela fórmula:

Sendo,

Q: quantidade de calor latente (cal)
m: massa (g)
Lf: calor latente de fusão (cal/g)

Note que a fórmula da quantidade de calor na mudança de fase, não leva em consideração a variação de temperatura.

Isto ocorre porque toda a quantidade de calor recebida é utilizada para a quebra da rede cristalina, ficando a temperatura constante durante todo o processo.

Exemplo

Qual a quantidade de calor necessária para fundir totalmente um bloco de ouro de massa igual a 200 g?

O calor latente de fusão do ouro é igual a 15 cal/g (tabela acima), assim teremos:

Q = 200 . 15 = 3 000 cal ou 3 kcal

Para saber mais, leia também:

Bacharel em Meteorologia pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) em 1992, Licenciada em Matemática pela Universidade Federal Fluminense (UFF) em 2006 e Pós-Graduada em Ensino de Física pela Universidade Cruzeiro do Sul em 2011.

Rosimar Gouveia

Professora de Matemática e Física

A solidificação é a mudança do estado líquido para o estado sólido. Para que ocorra a solidificação é necessário que, estando submetido a uma dada pressão, o corpo perca calor até atingir uma determinada temperatura.

A quantidade de calor necessária para um corpo se solidificar depende da substância que o constitui.

No estado líquido, os átomos das substâncias estão mais afastados uns dos outros. Apresentam um grau de vibração e temperatura maior do que no estado sólido.

Ao ceder calor, ocorre uma redução da vibração dos átomos e a distância entre eles torna-se menor. Esta redução provoca um aumento das forças internas.

Se continuar perdendo calor e sua temperatura atingir um determinado valor chamado de ponto de solidificação, o corpo irá se solidificar.

No estado sólido a substância apresenta maior organização entre seus átomos, estruturados numa rede cristalina. Continuam apresentando movimento de vibração, contudo este ocorre em torno de um ponto médio.

Características da Solidificação

As mudanças de estado acontecem seguindo um determinado padrão. Verifica-se experimentalmente que o processo de solidificação apresenta as seguintes características:

1. Mantendo-se constante a pressão, a temperatura durante todo o processo de solidificação permanece constante.

2. A quantidade de calor por unidade de massa é chamado de calor latente de solidificação e é uma característica da substância.

3. A temperatura em que cada substância sofre solidificação é bem determinada, e é chamada de ponto de solidificação.

Ponto de Solidificação

O ponto de solidificação é a temperatura em que a substância deve atingir para iniciar o processo de solidificação. Essa temperatura é a mesma para a substância sofrer fusão (ponto de fusão).

Os pontos de solidificação das substâncias são determinados experimentalmente. Essa temperatura depende do valor da pressão que a mesma está submetida.

Na tabela abaixo, apresentamos o ponto de solidificação para algumas substâncias sob pressão de 1 atmosfera:

Quantidade de Calor Latente

Conhecendo a massa de um corpo, podemos calcular a quantidade de calor que será necessária perder para que o corpo se solidifique. Para tal, devemos conhecer o valor do calor latente de solidificação da substância que o compõe.

Abaixo, apresentamos o valor do calor latente de solidificação de algumas substâncias:

Fórmula

Para calcular a quantidade de calor necessária para um corpo mudar de fase usamos a seguinte fórmula:

Sendo,

Q: quantidade de calor latente (cal) m: massa (g)

Ls: calor latente de solidificação (cal/g)

Exemplo

Calcule a quantidade de calor que 300 g de água a 0 ºC deverá perder para se transformar totalmente em gelo a 0 ºC.

O valor do calor latente de solidificação da água é igual a - 80 cal/g. Substituindo na fórmula, temos:

Q = 300 . (- 80) = - 24 000 cal

O sinal de menos indica que a água deverá perder 24 000 cal para se tornar gelo.

Anomalia da água

As substâncias, de uma maneira geral, diminuem seu volume ao se solidificarem. A água é uma exceção, ou seja, ao se transformar em gelo ela aumenta de volume.

Este fato pode ser comprovado quando colocamos uma garrafa totalmente cheia de água no congelador. Ao congelar, a água aumentará de volume e quebrará a garrafa.

Saiba mais sobre o assunto lendo: Ciclo da Água e Estados Físicos da Água.

Mudanças de Fase

Além da solidificação, exitem ainda outros processos de mudança de estado. São eles:

• Fusão
• Liquefação
• Sublimação
• Vaporização

No diagrama abaixo, representamos os três estados físicos da matéria e as respectivas mudanças de fase.

Para saber mais, leia também sobre:

• Mudanças de Estado Físico
• Ebulição
• Evaporação
• Diagrama de Fases

Bacharel em Meteorologia pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) em 1992, Licenciada em Matemática pela Universidade Federal Fluminense (UFF) em 2006 e Pós-Graduada em Ensino de Física pela Universidade Cruzeiro do Sul em 2011.