Sabemos que os estados ou fases básicas da matéria são três (sólido, líquido e gasoso) e que, de acordo com a situação, ao se retirar ou ceder calor a uma substância, ela sofrerá uma mudança de estado físico. De nossa vivência diária podemos retirar diversos exemplos em que ocorrem mudanças de estado. Como explicar por que uma roupa molhada colocada no varal seca-se? Para onde vai a água da roupa molhada colocada no varal? E o que acontece quando colocamos um copo com água gelada sobre uma mesa e, após algum tempo, aparecem gotículas de água na superfície do copo? Será que o copo está furado?
Para responder a esses questionamentos, devemos conhecer dois dos processos envolvidos nas mudanças de fase da matéria: vaporização e condensação.
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Vaporização
É o processo em que partículas de uma substância em fase líquida recebem calor (energia) suficiente para a transição do estado líquido para o estado gasoso. Dependendo de como ocorre esse processo, a vaporização pode ser caracterizada de três formas distintas: evaporação, ebulição ou calefação. Na evaporação,a transição de estado ocorre em qualquer temperatura. Ebuliçãoé a vaporização típica, ou seja, quando atinge o ponto de ebulição. Já a calefaçãoocorre para uma temperatura acima do ponto de ebulição e, por isso, é chamada de evaporação forçada.
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Condensação
Também chamada de liquefação, é o processo inverso à vaporização, logo, corresponde à transição do estado gasoso para o estado líquido. Isso ocorre quando é retirada uma quantidade de calor suficiente para que a substância que está na forma de vapor condense-se.
A partir das características das mudanças de fase da matéria, podemos responder aos questionamentos iniciais.
Como explicar por que uma roupa molhada colocada no varal seca-se?
Quando uma roupa molhada é colocada no varal, ao receber o calor em forma de radiação solar, as moléculas de água que estavam na superfície da roupa ficam mais energizadas e mudam de estado, passando do líquido para o vapor. Como vimos acima, essa mudança de fase do líquido para o gasoso é denominada de vaporização.
De onde vem a água na parte de fora de um copo com líquido gelado?
Já com o exemplo do copo com água, ao colocar um copo com água gelada sobre uma mesa, as gotículas de água que estão no ar em forma de vapor perdem calor ao se chocarem com a superfície do copo, que está com uma temperatura mais baixa, e passam para o estado líquido. Essa transição do gasoso para o líquido recebe o nome de condensação.
Por Nathan Augusto
Graduado em Física
É provável que nas suas aulas de ciências no ensino fundamental você tenha aprendido três estados físicos da matéria, o sólido, o líquido e o gasoso.
Esses estados físicos vêm do estado de agregação das moléculas constituintes da matéria. Se elas estão fortemente ligadas e com uma liberdade de movimento restrita a apenas agitações em torno de um ponto de equilíbrio, teremos nessa situação o estado sólido.
Com grau de liberdade de movimento maior, mas com alguma restrição, pois ainda há forças entre as moléculas, teremos o estado líquido e com um grau ainda maior de liberdade, pois as forças entre as moléculas são praticamente desprezíveis, teremos o estado gasoso.
Uma substância pode se apresentar em qualquer um desses estados físicos dependendo das condições de temperatura e pressão a que é submetida. Uma maneira muito comum de se mudar o estado físico de uma substância é pelo aquecimento, ou seja, pela troca de calor dessa substância com alguma fonte térmica.
Vamos estudar os processos de mudança de estado físico, assim como as leis que regem esse fenômeno.
Fusão e solidificação
Quando uma substância se encontra no estado sólido e começa receber calor, a sua temperatura aumenta, assim como o estado de agitação das suas moléculas. Se continuarmos com esse aquecimento, a agitação molecular se tornará tão intensa que as ligações entre as moléculas irão se romper.
A partir desse momento, a energia que está sendo transferida na forma de calor não será mais utilizada para o aumento da agitação molecular, mas sim, para a quebra das ligações moleculares. Essa quebra nas ligações moleculares dará as moléculas uma maior liberdade de movimento, caracterizando a fusão ou passagem para o estado liquido.
Solidificação
A solidificação é o processo inverso da fusão. Considere que uma substância no estado líquido esteja cedendo calor. Ao ceder calor, a sua temperatura irá diminuir, assim como o estado de movimentação das moléculas. Essa diminuição da movimentação molecular fará que as ligações moleculares se tornem mais intensas, caracterizando o estado sólido.
A figura abaixo representa os dois processos descritos acima na forma de um gráfico:
Observe pelo gráfico que, durante a mudança de estado, a substância permanece com a temperatura constante.
Vaporização
Se a substância do item anterior estiver no estado líquido e continuarmos a fornecer calor, a sua temperatura irá aumentar. Com isso, haverá um aumento no grau de movimentação das moléculas.
Em determinada temperatura, essas moléculas terão energia suficiente para escapar das forças moleculares que ainda existem entre elas e atingir um grau de liberdade maior. Nesse novo estado, conhecido como gasoso, as forças entre as moléculas são praticamente desprezíveis.
A vaporização pode ocorrer de três maneiras: evaporação, ebulição e calefação.
- Evaporação:
Esse processo ocorre de maneira bem lenta e à temperatura ambiente. Pode se tomar como exemplo a evaporação da água da roupa que é deixada no varal para secar.
- Ebulição:
É um processo mais rápido que ocorre a uma temperatura fixa. Tal processo é facilmente observado quando se coloca a água para ferver.
Calefação:
É o processo mais rápido e ocorre quando a fonte de calor está a uma temperatura muito maior do que a temperatura de ebulição da substância. Tome como exemplo uma gota de água sobre uma chapa muito quente.
Condensação
É o processo inverso da vaporização. Ao se diminuir a temperatura do gás, ele começa a perder a sua energia de movimentação. Com isso, as moléculas se agrupam através das forças moleculares, fazendo que a substância entre no estado líquido.
Curva de aquecimento
A figura a seguir mostra como uma substância inicialmente do estado sólido se comporta ao ser aquecida até atingir o estado gasoso. O gráfico a seguir é conhecido como curva de aquecimento.
Sublimação
A passagem direta do estado sólido para o estado gasoso sem passar pelo estado líquido é definida como sublimação. Tal processo só ocorre em condições adequadas de pressão e temperatura. É um processo de difícil observação no dia a dia. Temos como exemplos mais famosos desse fenômeno a naftalina e o gelo seco.
As leis gerais da mudança de estado
Pelo gráfico anterior podemos observar que as mudanças de estado físico são caracterizadas por patamares. Isso nos mostra que, durante essa situação, a temperatura da substância permanece constante. Desse fato, podemos enunciar a primeira lei geral das mudanças de estado:
- 1ª lei: "Durante a mudança de estado, se a substância estiver à pressão constante, a temperatura de mudança de estado permanecerá constante".
Tal fenômeno pode ser explicado pelo fato de que, na mudança de estado físico, como, por exemplo, por aquecimento, a energia que é absorvida pela substância em forma de calor não está sendo usada para o aumento da agitação molecular, mas para a quebra das ligações entre as moléculas.
Observando o enunciado da primeira lei temos algo importante a ser analisado. A temperatura permanece constante se a pressão se mantiver constante. A partir desse ponto, podemos concluir que, se mudarmos a pressão sobre a substância, também mudaremos a sua temperatura de mudança de estado. Então podemos enunciar a segunda lei geral das mudanças de estado.
- 2ª lei: "Se a pressão sobre a substância variar, a temperatura de mudança de estado também irá variar".
Um exemplo da aplicação dessa lei ocorre quando fervemos água em região litorânea. Nesse caso, a água irá ferver à temperatura de 100°C, pois a pressão ambiente ao nível do mar é de um atmosfera. Mas se fervermos a água em uma cidade como São Paulo, teremos a ebulição a uma temperatura de 98°C, pois nessa cidade a pressão ambiente é menor que um atmosfera.