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mudança no estado da matéria

Existem três estados/fases da matéria: sólido, líquido e gasoso. A mesma matéria pode existir em todas as três fases sob diferentes condições de temperatura e pressão. Por exemplo, gelo (sólido) a 0° quando aquecido torna-se água (líquido) a 0°C, que em aquecimento adicional muda para vapor (gás) a 100°C. Assim, a uma pressão atmosférica, a água é encontrada em todas as três fases em diferentes temperaturas.

O processo de mudança de um estado para outro a uma temperatura constante é chamado de mudança de fase . É trazido devido à troca de calor.
A mudança da fase sólida para a líquida é conhecida como fusão , enquanto a mudança reversa de líquido para sólido é chamada de congelamento. A mudança de líquido para vapor é conhecida como vaporização, enquanto a mudança inversa de gás para líquido é chamada de condensação (ou liquefação). A mudança direta de sólido para vapor é chamada de sublimação e a mudança inversa de vapor para sólido é chamada de deposição.

DERRETINDO E CONGELANDO

A mudança de fase sólida para líquida pela absorção de calor a uma temperatura constante é chamada de fusão. O temperatura constante na qual um sólido muda para líquido é chamada de ponto de fusão do sólido. A mudança reversa da fase líquida para sólida com a liberação de calor a uma temperatura constante é chamada de congelamento e a temperatura na qual um líquido congela em sólido é chamada de ponto de congelamento. A energia térmica é absorvida durante a fusão e é rejeitada durante o congelamento a uma temperatura constante.

A curva de aquecimento do gelo durante o derretimento

Observe o gráfico acima. A temperatura do gelo permanece constante igual a 0 °C na parte AB até que todo o gelo derreta. O calor fornecido durante este tempo é usado para derreter o gelo. Depois disso, a temperatura da água formada pelo gelo derretido começa a subir de 0°C (parte BC).

VAPORIZAÇÃO OU Ebulição

A mudança da fase líquida para a gasosa (ou vapor) na absorção de calor a uma temperatura constante é chamada de vaporização. A temperatura particular na qual ocorre a vaporização é chamada de ponto de ebulição do líquido. Da mesma forma, a mudança da fase de vapor para a fase líquida na liberação de calor a uma temperatura constante é chamada de condensação e a temperatura específica na qual a condensação ocorre é chamada de ponto de condensação do vapor.
A energia térmica é absorvida a uma temperatura constante durante a vaporização, enquanto a mesma quantidade de energia térmica é liberada durante a condensação nessa temperatura para a mesma massa da substância.

A curva de aquecimento da água

No ponto A, a água está em temperatura ambiente (20°C) e então com a absorção de energia térmica, a temperatura da água sobe continuamente na parte AB onde ela está no estado líquido. No ponto B inicia-se a ebulição e a temperatura não sobe mais na parte BC, a energia térmica é continuamente absorvida e representa a ebulição da água, sendo B o ponto de ebulição da água.

Por que adicionamos sal enquanto cozinhamos leguminosas? Isso se baseia no fato de que a adição de impurezas aumenta o ponto de ebulição da água. Adicionamos sal durante a cozedura das leguminosas, a água fornece assim energia térmica suficiente ao seu conteúdo antes de ferver e assim a cozedura torna-se mais fácil e rápida. Por que leva mais tempo para cozinhar alimentos nas colinas do que nas planícies? Isso se baseia no fato de que o ponto de ebulição diminui com a diminuição da pressão. Em altitudes elevadas, como colinas ou montanhas, a pressão atmosférica é baixa, portanto, nesses locais, a água ferve a uma temperatura inferior a 100 °C e, portanto, não fornece a energia térmica necessária ao seu conteúdo para cozinhar. Assim, cozinhar leva muito mais tempo nesses locais.

CALOR LATENTE E CALOR LATENTE ESPECÍFICO

Durante a mudança de fase de uma substância que ocorre a uma temperatura constante, uma quantidade considerável de energia térmica é absorvida ou liberada.   Uma vez que a energia térmica absorvida ou liberada em uma mudança de fase não se manifesta externamente por qualquer aumento ou queda de temperatura, é chamada de calor latente.
O calor latente, quando expresso para uma unidade de massa de uma substância, é chamado de calor latente específico e é denotado pelo símbolo L.

A unidade SI de calor latente específico é J kg ^-1 , outras unidades comuns são cal g ^-1 .
1 cal g ^-1 = 4,2 × 10 ³ J kg ^-1

O calor de fusão é a energia térmica que deve ser retirada para solidificar uma certa massa ou quantidade de fluido ou adicionada para derreter uma certa massa ou quantidade de sólido. Também é chamado de calor latente de fusão. O calor latente de vaporização é o calor consumido ou descarregado quando a matéria se desintegra, mudando do estado de fluido para o estado de gás a uma temperatura constante.
O calor latente específico de fusão do gelo é a energia térmica necessária para derreter uma unidade de massa de gelo a 0 °C em água a 0 °C sem qualquer alteração na temperatura. O calor latente específico de congelamento do gelo é a energia térmica liberada/liberada quando uma unidade de massa de água a 0 °C congela em gelo a 0 °C sem qualquer alteração na temperatura. Para o gelo, o calor específico latente de fusão é 336.000 J kg ^-1 , o que significa que 1 kg de gelo a 0 °C absorve 336.000 J de energia térmica para converter em água a 0 °C. Para a vaporização, é a quantidade de calor (540 cal g ⁻¹ ) que se espera passar de 1 g de água para 1 g de vapor de água. Uma medida semelhante de calor é liberada no movimento do estágio durante o acúmulo de 1 g de vapor de água para 1 g de água.

Explicação do calor latente de fusão com base no modelo cinético
De acordo com o modelo cinético, as moléculas em um sólido vibram em torno de sua posição média. A energia total de uma molécula é a soma da energia cinética (que depende da temperatura) devido ao seu movimento e sua energia potencial (que depende da força de atração entre as moléculas e da separação entre elas). Quando o sólido se transforma em líquido sem mudança de temperatura, a cinética média das moléculas não muda, mas a separação entre as moléculas aumenta em média. Alguma energia é necessária para aumentar a separação contra as forças atrativas entre as moléculas (isto é, para aumentar a energia potencial das moléculas). Assim, a energia térmica fornecida durante a fusão é utilizada apenas para aumentar a energia potencial das moléculas e é chamada de calor latente de fusão.

Exemplos

• A neve nas montanhas não derrete de uma só vez: a razão é que o gelo tem um alto calor específico latente de fusão (336.000 J kg ^-1 ). Ele se transforma lentamente em água, à medida que recebe energia térmica do sol. Se o calor latente fosse baixo, toda a neve teria derretido em pouco tempo ao receber o calor do sol e haveria inundações nos rios.
• Nos países frios, a água dos lagos e lagoas não congela de uma só vez: a razão é que o calor específico latente de fusão do gelo é suficientemente alto, pelo que a água dos lagos e lagoas terá de libertar uma grande quantidade de calor para ao redor antes de congelar. A camada de gelo formada sobre a superfície da água, sendo um mau condutor de calor, também evitará a perda de calor da água do lago, portanto, não congelará de uma só vez.
• As bebidas são resfriadas mais rapidamente adicionando um pedaço de gelo do que a água gelada a 0 °C: Isso ocorre porque 1 grama de gelo a 0 °C leva 336 J de energia térmica da bebida para derreter na água a 0 °C C. Assim, as bebidas liberam 336 J adicionais de energia térmica para 1 grama de gelo a 0 °C, do que para 1 grama de água gelada a 0 °C.

• A transpiração causa resfriamento: a transpiração é uma função corporal que salva vidas e ajuda a regular a temperatura do corpo. Quando o tempo está quente ou a temperatura corporal sobe devido a exercícios ou febre, o suor é liberado através de dutos na pele. Contém 90% de água. As gotas de suor presentes em seu corpo utilizam o calor do corpo para a transição de fase de líquido para vapor. Isso resulta em um efeito de resfriamento que ajuda a manter a temperatura corporal e resfria o corpo.
• Tenha sempre cuidado ao abrir a tampa de uma panela quando a água estiver fervendo: A água tem um grande calor específico latente de vaporização. Quando o vapor se condensa na pele do seu braço, uma quantidade muito grande de calor latente é liberada, o que causa queimaduras graves.

Questão 1: Quanta energia térmica é necessária para derreter 10 kg de gelo? (Calor latente específico do gelo = 336 J g ^-1 )
Solução: m = 10 kg, L = 336 J g ^-1
Energia térmica necessária = mL = 10.000 × 336 = 3.360.000 J

Questão 2: A temperatura de 250 gramas de água a 40 °C é reduzida para 0 °C pela adição de gelo a ela. Encontre a massa de gelo adicionada. (O calor latente específico do gelo é 336 J g ^-1 e o calor específico da água é 4,2 J g ^-1 K ^-1 )
Solução: Energia térmica perdida pela água = energia térmica ganha pelo gelo
A queda na temperatura é de 40 − 0 = 40 °C.
Calor perdido pela água = m⋅c⋅Δt = 250 × 4,2 × 40 = 42000 J
Calor ganho pelo gelo = 42000 = massa do gelo × 336 ⇒ massa do gelo = 42000 ∕ 336 = 125 g

Questão 3: 10125J de energia térmica ferve 4,5gms de água a 100°c para vapor a 100°c, encontre o calor latente do vapor em unidades SI.
Solução: Calor latente do vapor L = 10125 J ∕ (4,5 × 10 ^-3 ) kg = 2250 × 10 ³ J∕kg