O que acontece quando há um aumento de temperatura de uma substância?

Índice

Introdução

Ponto de fusão é o nome que se dá à temperatura na qual ocorre a fusão de uma substância sólida sob pressão de 1 atm. Na temperatura do ponto de fusão também ocorrerá a solidificação dessa mesma substância, quando estiver no estado líquido sendo resfriada.

Uma substância ou mistura está na fase sólida quando sua temperatura é inferior ao ponto de fusão, e na fase líquida ou gasosa quando a temperatura é superior ao ponto de fusão.

Cada substância pura tem um ponto de fusão próprio, dependendo muito de sua composição química. Durante qualquer mudança de estado físico de uma substância pura, a temperatura permanece constante, de acordo com o gráfico a seguir.

O gráfico de alguma mistura ou solução, que não são substâncias puras, apresentaria inclinação durante a fusão e a ebulição, ou seja, temperatura variável durante as mudanças de estado físico.

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Misturas eutéticas

Contudo, algumas misturas apresentam comportamento diferente quanto à temperatura de fusão, e se comportam como se fossem substâncias puras, ou seja, apresentam temperatura de fusão constante! Na ebulição, a temperatura segue sendo variável.

Essa misturas são chamadas de misturas eutéticas, e têm como exemplo as ligas metálicas, como alguns aços (ferro + carbono) e bronze (cobre + estanho).

O gráfico de aquecimento de uma mistura eutética segue o seguinte formato:

Calor de fusão

Apesar da temperatura permanecer constante durante a fusão de substâncias puras, é necessário fornecer calor para que ocorra essa mudança de estado físico. A quantidade de calor cedida para que ocorra a fusão depende da substância e da quantidade de matéria (massa / quantidade de mols). 

A unidade do calor de fusão (também chamado de calor latente de fusão) é uma unidade de calor, energia, por massa. Assim, as unidades mais usuais são \( cal/g \) e \( kJ/kg \), relembrando que \( 1 \ cal = 4,2 \ J \).

Tabela apresentando o ponto de fusão (em Kelvin) e o calor de fusão de algumas substâncias puras.

O mesmo calor que é cedido à substância para que ocorra a fusão deve ser retirado dela para que ocorra a solidificação!

O valor dessa energia recebida durante a fusão pode ser obtido multiplicando o calor latente de fusão \( L_{f} \) pela massa fundida, de modo que:

$$ Q_{L} = L_{f} \cdot m $$

Influência da pressão

O ponto de fusão costuma ser especificado sob pressões de 1 atm (pressão atmosférica ao nível do mar). Entretanto, sob outras pressões, a temperatura de fusão não será a mesma!

Para entender a influência da pressão sobre o ponto de fusão, é importante observar a curva de fusão no diagrama de fases da substância.

Nos diagramas de fase acima, a curva de fusão (transformação sólido - líquido) está destacada em azul.

No primeiro caso, que é o representativo da maioria das substâncias, um aumento na pressão provoca um aumento no ponto de fusão (enquanto a curva sobe, ela simultaneamente anda para a direita no gráfico, ou seja, maior pressão e maior temperatura durante a mudança de estado). Nesse caso, o sólido é mais denso do que o líquido, portanto, a substância se dilata durante a fusão.

No segundo caso, que tem como principal exemplo a água, um aumento na pressão faz diminuir o ponto de fusão (enquanto a curva sobe, anda para a esquerda). Aqui, o líquido é mais denso que o sólido, e, portanto, a substância se contrai durante a fusão. Apesar de parecer menos intuitivo, o fato do líquido ser mais denso que o sólido para esse tipo de substância explica por que o gelo flutua na água!

Experiência do regelo de Tyndall

Esse experimento demonstra, na prática, a diminuição do ponto de fusão da água com o aumento da pressão.

Ele consiste em um bloco de gelo, sobre o qual é apoiado um fio com pesos nas extremidades. Por conta dos pesos, o fio exerce uma pressão considerável sobre o gelo. Assim, a pressão naquele ponto sobe, diminuindo a temperatura de fusão do gelo. Dessa forma, o gelo logo abaixo do fio está em uma temperatura acima de sua temperatura de fusão e, portanto, derrete!

Simples esquematização do experimento do regelo de Tyndall em seu início

Entretanto, após a passagem do fio, a água que se formou não estará mais sob a pressão do fio, somente sob a pressão atmosférica. Assim, seu ponto de fusão volta a subir. Como a temperatura está agora abaixo do ponto de fusão, a água volta a congelar!

Assim, no final da lenta passagem do fio pelo gelo, o bloco de gelo ainda estará intacto, mesmo tendo sido “cortado” pelo fio!