O mudanças de estado ou fase são um fenômeno termodinâmico onde a matéria sofre mudanças físicas reversíveis. Diz-se que é termodinâmica porque ocorre uma transferência de calor entre a matéria e o ambiente; ou o que é o mesmo, há interações entre matéria e energia que induzem um rearranjo das partículas.
As partículas que sofrem a mudança de estado permanecem as mesmas antes e depois da mudança. Pressão e temperatura são variáveis importantes em como são acomodados em uma fase ou outra. Quando ocorre uma mudança de estado, um sistema bifásico é formado, composto da mesma matéria em dois estados físicos diferentes.
A imagem acima mostra as principais mudanças de estado pelas quais passa a matéria em condições normais..
Um cubo sólido de uma substância azulada pode se tornar líquido ou gasoso, dependendo da temperatura e pressão do ambiente. Por si só, ele representa uma única fase: o sólido. Mas, no momento da fusão, ou seja, fusão, estabelece-se um equilíbrio sólido-líquido denominado fusão (seta vermelha entre o cubo azulado e a gota).
Para que a fusão ocorra, o cubo precisa absorver calor de seus arredores para aumentar sua temperatura; portanto, é um processo endotérmico. Uma vez que o cubo está completamente derretido, ele retorna a uma única fase: a do estado líquido.
Essa gota azulada pode continuar a absorver calor, o que aumenta sua temperatura e resulta na formação de bolhas gasosas. Novamente, existem duas fases: uma líquida e a outra gasosa. Quando todo o líquido tiver evaporado até atingir o ponto de ebulição, diz-se que ele ferveu ou vaporizou..
Agora as gotas azuladas se transformaram em nuvens. Até agora, todos os processos foram endotérmicos. O gás azul pode continuar a absorver calor até ficar quente; No entanto, dadas as condições terrestres, ele tende a esfriar e se condensar de volta ao líquido (condensação)..
Por outro lado, as nuvens também podem ser depositadas diretamente sobre uma fase sólida, formando novamente o cubo sólido (deposição). Esses dois últimos processos são exotérmicos (setas azuis); ou seja, eles liberam calor para o ambiente ou arredores.
Além da condensação e deposição, ocorre uma mudança de estado quando a gota azulada congela a baixas temperaturas (solidificação).
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A imagem mostra mudanças típicas para os três (mais comuns) estados da matéria: sólido, líquido e gasoso. As mudanças acompanhadas pelas setas vermelhas são endotérmicas, envolvendo a absorção de calor; enquanto aqueles acompanhados pelas setas azuis são exotérmicos, eles liberam calor.
Uma breve descrição de cada uma dessas mudanças será feita a seguir, destacando algumas de suas características a partir do raciocínio molecular e termodinâmico..
A fusão é a mudança de estado de uma substância de sólido para líquido..
No estado sólido as partículas (íons, moléculas, aglomerados, etc.) são "prisioneiros", localizados em posições fixas no espaço sem poderem se mover livremente. No entanto, eles são capazes de vibrar em frequências diferentes e, se forem muito fortes, a ordem rigorosa imposta pelas forças intermoleculares começará a “desmoronar-se”..
Como resultado, obtêm-se duas fases: uma onde as partículas permanecem confinadas (sólidas) e outra onde ficam mais livres (líquidas), o suficiente para aumentar as distâncias que as separam. Para conseguir isso, o sólido deve absorver calor e, portanto, suas partículas vibrarão com maior força..
Por isso a fusão é endotérmica, e quando começa diz-se que ocorre um equilíbrio entre as fases sólido-líquido..
O calor necessário para dar origem a esta mudança é chamado de calor ou entalpia molar de fusão (ΔHFus) Isso expressa a quantidade de calor (energia, principalmente em unidades de kJ) que uma molécula de substância em estado sólido deve absorver para derreter, e não simplesmente elevar sua temperatura.
Com isso em mente, entende-se por que uma bola de neve derrete na mão (imagem superior). A neve absorve o calor do corpo, o que é suficiente para elevar a temperatura da neve acima de 0 ° C.
Os cristais de gelo na neve absorvem apenas o calor suficiente para derreter e para suas moléculas de água assumirem uma estrutura mais confusa. Enquanto a neve está derretendo, a água formada não aumentará sua temperatura, pois todo o calor da mão é usado pela neve para completar seu derretimento..
A vaporização é a mudança do estado de uma substância do estado líquido para o gasoso.
Continuando com o exemplo da água, agora colocando um punhado de neve em uma panela e acendendo o fogo, observa-se que a neve derrete rapidamente. À medida que a água esquenta, pequenas bolhas de dióxido de carbono e outras possíveis impurezas gasosas começam a se formar dentro dela..
O calor expande molecularmente as configurações desordenadas da água, expandindo seu volume e aumentando sua pressão de vapor; portanto, existem várias moléculas que escapam da superfície como resultado do aumento da evaporação.
A água líquida aumenta sua temperatura lentamente, devido ao seu alto calor específico (4.184J / ° C ∙ g). Chega um ponto em que o calor que ele absorve não é mais usado para elevar sua temperatura, mas para iniciar o equilíbrio líquido-vapor; ou seja, começa a ferver e todo o líquido vai para o estado gasoso enquanto absorve calor e mantém a temperatura constante.
É aqui que você vê o borbulhar intenso na superfície da água fervida (imagem de cima). O calor absorvido pela água líquida de modo que a pressão de vapor de suas bolhas incipientes seja igual à pressão externa é chamado de entalpia de vaporização (ΔHVapor).
A pressão também é decisiva nas mudanças de estado. Qual é o seu efeito na vaporização? Que quanto maior a pressão, maior o calor que a água deve absorver para ferver e, portanto, se vaporiza acima de 100 ° C.
Isso ocorre porque o aumento da pressão dificulta o escape das moléculas de água da fase líquida para a fase gasosa..
As panelas de pressão usam esse fato a seu favor para aquecer os alimentos em água a uma temperatura acima do ponto de ebulição..
Por outro lado, como ocorre o vácuo ou a diminuição da pressão, a água líquida precisa de uma temperatura mais baixa para ferver e entrar na fase gasosa. Com muita ou pouca pressão, quando a água ferve, ela precisa absorver seu respectivo calor de vaporização para completar sua mudança de estado..
A condensação é a mudança de estado de uma substância do estado gasoso para o estado líquido.
A água vaporizou. Que segue? O vapor d'água ainda pode aumentar sua temperatura, tornando-se uma corrente perigosa capaz de causar queimaduras graves..
No entanto, vamos supor que em vez disso esfrie. Como? Liberar calor para o ambiente e liberar calor é considerado um processo exotérmico que ocorre.
Ao liberar calor, as moléculas de água gasosa, muito energéticas, começam a desacelerar. Além disso, suas interações se tornam mais eficazes à medida que a temperatura do vapor diminui. As gotículas de água se formarão primeiro, condensadas do vapor, seguidas por gotículas maiores que acabam sendo atraídas pela gravidade.
Para condensar totalmente uma determinada quantidade de vapor, você precisa liberar a mesma energia, mas com sinal oposto, em ΔHVapor; ou seja, sua entalpia de condensação ΔHCond. Assim, o equilíbrio líquido-vapor inverso é estabelecido.
A condensação pode ser vista nas janelas das próprias casas. Em climas frios, o vapor d'água contido no interior da casa colide com a janela, que devido ao seu material possui temperatura mais baixa que as demais superfícies..
Lá, é mais fácil para as moléculas de vapor se agruparem, criando uma fina camada esbranquiçada facilmente removível à mão. À medida que essas moléculas liberam calor (aquecendo o vidro e o ar), elas começam a formar grupos mais numerosos até que as primeiras gotas possam se condensar (imagem superior).
Quando as gotas se tornam muito grandes, elas deslizam pela janela e deixam um rastro de água.
Solidificação é a mudança de estado de uma substância do estado líquido para o estado sólido.
A solidificação ocorre como resultado do resfriamento; em outras palavras, a água congela. Para congelar, a água deve liberar a mesma quantidade de calor que o gelo absorve para derreter. Novamente, esse calor é chamado de entalpia de solidificação ou congelamento, ΔHCong (-ΔHFus).
À medida que as moléculas de água esfriam, elas perdem energia e suas interações intermoleculares tornam-se mais fortes e direcionais. Como resultado, eles são organizados graças às suas ligações de hidrogênio e formam os chamados cristais de gelo. O mecanismo pelo qual os cristais de gelo crescem tem impacto na sua aparência: transparente ou branco.
Se os cristais de gelo crescerem muito lentamente, eles não obstruem as impurezas, como os gases que se dissolvem na água a baixas temperaturas. Assim, as bolhas estão escapando e não podem interagir com a luz; e, conseqüentemente, você tem um gelo tão transparente quanto o de uma estátua de gelo extraordinária (imagem superior).
A mesma coisa que acontece com o gelo, pode acontecer com qualquer outra substância que se solidifica por resfriamento. Talvez esta seja a mudança física mais complexa nas condições terrestres, uma vez que vários polimorfos podem ser obtidos..
Sublimação é a mudança de estado de uma substância do estado sólido para o gasoso.
A água pode ser sublimada? Não, pelo menos não em condições normais (T = 25 ° C, P = 1 atm). Para que ocorra a sublimação, ou seja, a mudança de estado de sólido para gasoso, a pressão de vapor do sólido deve ser elevada.
Da mesma forma, é essencial que suas forças intermoleculares não sejam muito fortes, de preferência se consistirem apenas em forças de dispersão.
O exemplo mais emblemático é o iodo sólido. É um sólido cristalino com tons púrpura acinzentado, que apresenta alta pressão de vapor. Tanto que no ato se desprende um vapor púrpura, cujo volume e expansão tornam-se perceptíveis quando submetidos ao aquecimento..
Um experimento típico é mostrado na imagem acima, onde o iodo sólido é evaporado em um recipiente de vidro. É interessante e impressionante observar como os vapores roxos se difundem, e o aluno iniciado pode verificar a ausência de iodo líquido..
Esta é a principal característica da sublimação: não há presença de fase líquida. Da mesma forma, é endotérmico, pois o sólido absorve calor para aumentar sua pressão de vapor até que se iguale à pressão externa..
Deposição é a mudança de estado de uma substância do estado gasoso para o estado sólido.
Paralelo ao experimento de sublimação do iodo, existe o de sua deposição. A deposição é a mudança ou transição oposta: a substância passa do estado gasoso para o sólido sem a formação de uma fase líquida.
Quando os vapores de iodo roxo entram em contato com uma superfície fria, eles liberam calor para aquecê-la, perdendo energia e reagrupando suas moléculas de volta ao sólido roxo-acinzentado (imagem superior). É então um processo exotérmico.
A deposição é amplamente utilizada para a síntese de materiais onde eles são dopados com átomos de metal por técnicas sofisticadas. Se a superfície for muito fria, a troca de calor entre ela e as partículas de vapor é abrupta, omitindo a passagem pela respectiva fase líquida..
O calor ou entalpia de deposição (e não depósito) é o inverso da sublimação (ΔHSub= - ΔHD.E.P) Em teoria, muitas substâncias podem ser sublimadas, mas para isso é necessário manipular as pressões e temperaturas, além de ter seu diagrama P vs T em mãos; em que, suas distantes fases possíveis podem ser visualizadas.
Embora nenhuma menção seja feita a eles, existem outros estados da matéria. Às vezes, eles se caracterizam por ter "um pouco de cada um" e, portanto, ser uma combinação deles. Para gerá-los, as pressões e temperaturas devem ser manipuladas para magnitudes muito positivas (grandes) ou negativas (pequenas)..
Assim, por exemplo, se os gases forem aquecidos excessivamente, eles perderão seus elétrons e seus núcleos carregados positivamente naquela maré negativa constituirão o que é conhecido como plasma. É sinônimo de "gás elétrico", pois possui alta condutividade elétrica.
Por outro lado, quando as temperaturas caem muito, a matéria pode se comportar de maneiras inesperadas; ou seja, eles exibem propriedades únicas em torno do zero absoluto (0 K).
Uma dessas propriedades é a superfluidez e a supercondutividade; bem como a formação de condensados de Bose-Einstein, onde todos os átomos se comportam como um.
Algumas pesquisas até apontam para a matéria fotônica. Neles, as partículas de radiação eletromagnética, os fótons, se agrupam para formar moléculas fotônicas. Ou seja, seria dar massa aos corpos de luz, teoricamente.
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