Voltar ao inícioFísica · 1ª série · Mudar de matéria
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1ª série · Física
Calor e fenômenos térmicos · Temperatura, calor e transferência de energia térmica

Mudanças de estado físico e calor latente

Você coloca uma panela de água no fogão e a chama fica acesa o tempo todo. Quando a água começa a ferver, o termômetro para em $100\,^\circ\text{C}$, mesmo com o fogo ainda ligado. Para onde vai a energia que a chama continua fornecendo? Vamos descobrir ao longo desta página.

Os estados físicos e suas mudanças

A matéria costuma aparecer em três estados: sólido, líquido e gasoso. Passar de um para outro é uma mudança de estado físico. Ela acontece quando a substância recebe ou cede energia térmica (calor).

Esquema das mudanças de estado entre sólido, líquido e gasoso, com setas de fusão, solidificação, vaporização, condensação e sublimação Sólido Líquido Gasoso fusão solidificação vaporização condensação sublimação (ida e volta) Setas laranja: a substância recebe calor. Setas azuis: cede calor.
  • Fusão: sólido → líquido (recebe calor).

  • Solidificação: líquido → sólido (cede calor).

  • Vaporização: líquido → gasoso (recebe calor). Pode ser evaporação (lenta, só na superfície), ebulição (a fervura, em toda a massa) ou calefação (gotas numa chapa muito quente).

  • Condensação (ou liquefação): gasoso → líquido (cede calor).

  • Sublimação: sólido ↔ gasoso direto, como o gelo-seco.

Pratica★☆☆Por começar
Dê o nome de cada mudança de estado físico: (a) sólido para líquido; (b) líquido para gasoso; (c) gasoso para líquido; (d) líquido para sólido. Para cada uma, indique se…

Dê o nome de cada mudança de estado físico: (a) sólido para líquido; (b) líquido para gasoso; (c) gasoso para líquido; (d) líquido para sólido. Para cada uma, indique se a substância recebe ou cede calor.

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Calor latente: a temperatura não muda, mas a energia entra

Quando você esquenta água líquida, a temperatura sobe: é o calor sensível, $Q = mc\Delta T$. Mas durante a mudança de estado a temperatura fica constante (para uma substância pura, a uma dada pressão). Nesse momento a energia recebida não aumenta a agitação média das partículas: ela é usada para romper ligações entre elas e reorganizá-las em outro estado. Esse é o calor latente.

A quantidade de calor necessária é proporcional à massa:

$$Q = m \cdot L$$

em que $L$ é o calor latente da mudança (cal/g ou J/kg). Para a água, ao nível do mar:

  • Fusão do gelo (a $0\,^\circ\text{C}$): $L_f = 80\ \text{cal/g}$.

  • Vaporização da água (a $100\,^\circ\text{C}$): $L_v = 540\ \text{cal/g}$.

Na mudança inversa, a quantidade de calor é a mesma, mas cedida: solidificar $1\,\text{g}$ de água a $0\,^\circ\text{C}$ libera $80\ \text{cal}$.

Resposta ao gancho: durante a fervura, a energia da chama vai toda para a mudança de estado (a água vira vapor), e não para aumentar a temperatura.

Pratica★☆☆Por começar
Qual é a quantidade de calor necessária para fundir completamente $50\,\text{g}$ de gelo que já está a $0\,^\circ\text{C}$? Dado: calor latente de fusão do gelo…

Qual é a quantidade de calor necessária para fundir completamente $50\,\text{g}$ de gelo que já está a $0\,^\circ\text{C}$? Dado: calor latente de fusão do gelo $L_f = 80\ \text{cal/g}$.

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Pratica★☆☆Por começar
Durante a fervura da água em uma panela no fogão, a chama continua acesa, mas o termômetro mostra que a temperatura permanece constante em $100\,^\circ\text{C}$ (ao…

Durante a fervura da água em uma panela no fogão, a chama continua acesa, mas o termômetro mostra que a temperatura permanece constante em $100\,^\circ\text{C}$ (ao nível do mar). Explique, em uma ou duas frases, para onde vai a energia fornecida pela chama nesse intervalo.

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A curva de aquecimento

Se fornecermos calor a uma substância pura de forma constante e marcarmos a temperatura, obtemos a curva de aquecimento. Veja o caso de gelo que vira água e depois vapor:

Gráfico de temperatura em função do calor recebido, com trechos inclinados e dois patamares horizontais, a 0 graus Celsius e a 100 graus Celsius T (°C) Q (calor recebido) 0 100 gelo fusão água líquida vaporização vapor
  • Trechos inclinados: só uma fase (sólido, líquido ou gás). A temperatura sobe e o calor é sensível ($Q = mc\Delta T$). Quanto maior o calor específico, menos inclinado o trecho.

  • Patamares horizontais: mudança de estado. A temperatura fica constante e o calor é latente ($Q = mL$). Há duas fases coexistindo (por exemplo, gelo e água).

Quanto mais longo o patamar, maior o calor latente (e a massa).

Pratica★★☆Por começar
O gráfico de aquecimento de uma substância pura mostra, em ordem: um trecho inclinado, um patamar horizontal, outro trecho inclinado e um segundo patamar horizontal.…

O gráfico de aquecimento de uma substância pura mostra, em ordem: um trecho inclinado, um patamar horizontal, outro trecho inclinado e um segundo patamar horizontal. Explique o que acontece com a temperatura e com a energia recebida em cada um desses quatro trechos, indicando em que trechos há mudança de estado físico.

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Calor sensível + calor latente

Muitos problemas juntam as duas coisas. O método é dividir o processo em etapas e somar:

  1. Calor sensível numa fase: $Q = mc\Delta T$.

  2. Calor latente na mudança: $Q = mL$.

  3. Calor sensível na fase seguinte.

  4. $Q_{total} = Q_1 + Q_2 + \cdots$

Se a fonte tem potência constante $P$ (cal/min), o tempo de cada etapa é $\Delta t = Q/P$, e o gráfico $T \times t$ tem a mesma forma da curva de aquecimento.

Pratica★★☆Por começar
Miguel quer transformar $200\,\text{g}$ de água líquida a $100\,^\circ\text{C}$ em vapor a $100\,^\circ\text{C}$. Sabendo que o calor latente de vaporização da água é…

Miguel quer transformar $200\,\text{g}$ de água líquida a $100\,^\circ\text{C}$ em vapor a $100\,^\circ\text{C}$. Sabendo que o calor latente de vaporização da água é $L_v = 540\ \text{cal/g}$, calcule a quantidade de calor necessária. Depois, compare com o calor necessário para aquecer essa mesma massa de água de $0\,^\circ\text{C}$ a $100\,^\circ\text{C}$, com $c = 1{,}0\ \text{cal/(g}\cdot{}^\circ\text{C)}$.

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Pratica★★☆Por começar
Um bloco de $100\,\text{g}$ de gelo a $-10\,^\circ\text{C}$ recebe calor até virar água líquida a $0\,^\circ\text{C}$. Dados: calor específico do gelo…

Um bloco de $100\,\text{g}$ de gelo a $-10\,^\circ\text{C}$ recebe calor até virar água líquida a $0\,^\circ\text{C}$. Dados: calor específico do gelo $0{,}5\ \text{cal/(g}\cdot{}^\circ\text{C)}$ e $L_f = 80\ \text{cal/g}$. Calcule o calor total recebido, separando a etapa de aquecimento do gelo e a etapa de fusão.

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Pratica★★★Por começar
Uma fonte de calor fornece potência constante de $500\ \text{cal/min}$ a $100\,\text{g}$ de gelo inicialmente a $-20\,^\circ\text{C}$. Dados:…

Uma fonte de calor fornece potência constante de $500\ \text{cal/min}$ a $100\,\text{g}$ de gelo inicialmente a $-20\,^\circ\text{C}$. Dados: $c_{gelo} = 0{,}5\ \text{cal/(g}\cdot{}^\circ\text{C)}$, $L_f = 80\ \text{cal/g}$ e $c_{água} = 1{,}0\ \text{cal/(g}\cdot{}^\circ\text{C)}$. Calcule o tempo necessário para o gelo atingir $0\,^\circ\text{C}$, o tempo da fusão e o tempo total até a água chegar a $30\,^\circ\text{C}$. Descreva como seria o gráfico da temperatura em função do tempo.

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Gelo no suco: equilíbrio com mudança de estado

Num recipiente isolado, o calor cedido pelos corpos quentes é recebido pelos frios: $\sum Q = 0$. Se há gelo, é preciso testar primeiro se há calor suficiente para derreter tudo.

Se o teste mostrasse que o calor disponível não basta para fundir todo o gelo, a temperatura final seria $0\,^\circ\text{C}$, com gelo e água coexistindo.

Pratica★★★Por começar
Larissa coloca $50\,\text{g}$ de gelo a $0\,^\circ\text{C}$ em $400\,\text{g}$ de suco (considere que ele tenha as propriedades da água,…

Larissa coloca $50\,\text{g}$ de gelo a $0\,^\circ\text{C}$ em $400\,\text{g}$ de suco (considere que ele tenha as propriedades da água, $c = 1{,}0\ \text{cal/(g}\cdot{}^\circ\text{C)}$) a $25\,^\circ\text{C}$, em um copo isolado. Dado $L_f = 80\ \text{cal/g}$. Determine a temperatura final de equilíbrio e discuta se todo o gelo derrete.

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Resumo

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