Diagrama de Fases: o que é e como interpretar

Diagrama de Fases: o que é e como interpretar

Você sabia que é possível encontrar o estado físico de uma substância apenas com os valores de temperatura e pressão? Para isso, é importante lançar mão de uma ferramenta físico-matemática chamada diagrama de fases. Continue lendo para conhecer melhor!

O que é o diagrama de fases?

O diagrama de fases é um gráfico que relaciona a pressão e a temperatura para determinar qual o estado físico de uma substância.

Nesse caso, com um ponto cartesiano A(x,y) pode-se afirmar qual se o composto está sólido, líquido ou gasoso. Ou, de maneira análoga, ao encontrar um material em determinado estado físico, encontra-se o intervalo de coordenadas de pressão e temperatura às quais aquele corpo está sujeito.

diagrama de fases da água

No gráfico acima, que representa o diagrama de fases da água, observam-se três distintas regiões: 

  • Na parte superior esquerda, as relações de temperatura e pressão são tais que a água encontra-se congelada;
  • Na porção superior direita, por sua vez, a interação de pressão e temperatura permite que a substância esteja em estado líquido; e
  • Por fim, na porção inferior, o composto encontra-se no estado de vapor.

Interpretações do diagrama de fases

As curvas do diagrama de fases, além de dividir as diferentes regiões do gráfico, também definem estados físicos duplos para a substância.

diagrama de fases da água - ponto triplo
  • Em todos os pontos da linha amarela (curva de solidificação), por exemplo, a água encontra-se tanto no líquida como sólida — o que representa um estado de transição;
  • Na linha azul, chamada de curva de condensação, situação semelhante acontece, agora com os estados líquido e gasoso; e 
  • Na linha verde, conhecida como curva de ressublimação, a concomitância acontece com água gasosa e gelo. 

Ponto triplo

Conforme as ideias que estamos discutindo até agora, é possível perceber que a existência de duas configurações físicas para a mesma substância é real. No caso do ponto em que as linhas verde, amarela e azul se cruzam, temos o ponto triplo.

Embora não aconteça espontaneamente na natureza com facilidade, as condições corretas de temperatura e pressão, manipuladas em laboratório, permitem que a água esteja ao mesmo tempo sólida, líquida e gasosa, como você pode observar na imagem abaixo:

Imagem: Reprodução/Wikimedia

Enquanto a água líquida ferve, liberam-se bolhas de vapor e, ao mesmo tempo, flutuam pedras de gelo na superfície do fluido.

+ Veja também: Fórmulas de Física mais comuns do Enem e outros vestibulares

Mudanças de estado físico no diagrama de fases

A forma como as substâncias alteram ou sofrem alteração de suas características de temperatura e pressão influenciam diretamente no estado físico.

diagrama de fases da água - mudança de estado físico

Nas setas, podemos observar a mudança de estado físico:

  • A seta A indica que a substância teve um aumento de sua temperatura e alterou seu estado de sólido para líquido — liquefação;
  • Já o aponte D demonstra que o composto líquido tornou-se gasoso — vaporização; e
  • Assim como a seta E demonstra uma alteração de gelo para água gasosa — sublimação.

Na contramão, os processos B, C e F resultam na mesma operação de maneira oposta:

  • No caso de B, passa-se de líquido para sólido, por meio da solidificação;
  • Em C, troca-se de gasoso para líquido, com a condensação; e 
  • Em F, a substância gasosa torna-se sólida, pela ressublimação.

Ponto crítico e estado gasoso

Até agora, observamos a água em estado gasoso como vapor. Ou seja, pela vaporização da substância. 

Porém, sabemos que existe um ponto no diagrama de fases que permite que a água se torne um gás uniforme — de forma que não é mais um vapor condensável como estamos acostumados a ver. 

Esse ponto é chamado de ponto crítico e está localizado no momento em que se finda a curva de condensação. A temperatura crítica tc =374ºC e a pressão crítica p= 218 atm.

ponto crítico

Aplicações práticas do diagrama de fases

Um bom exemplo de aplicação cotidiana do diagrama de fases são as panelas de pressão. Para alcançar uma maior temperatura no cozimento, o que garante maior transferência de calor para o alimento e menor tempo de preparo.

Para fonte de calor de potência igual, o aumento da pressão favorece uma temperatura de ebulição maior para a água. Você pode observar isso com o gráfico abaixo, fornecido em um exercício do Enem de 1999:

diagrama de fases da água

Note que para uma pressão de 1 atm, a temperatura de ebulição da água será de 100ºC. Porém, se alterarmos somente a pressão no interior do recipiente para 2 atm,  por exemplo, observa-se que a temperatura de ebulição chega a aproximadamente 120º C — o que catalisa o processo de preparação dos alimentos.

Como o diagrama de fases cai no vestibular?

Agora que você já conhece as principais informações sobre diagrama de fases, vamos resolver uma questão da Unesp sobre o assunto passo a passo, facilitando a compreensão:

A liofilização é um processo de desidratação de alimentos que, além de evitar que seus nutrientes saiam junto com a água, diminui bastante sua massa e seu volume, facilitando o armazenamento e o transporte. Alimentos liofilizados também têm seus prazos de validade aumentados, sem perder características como aroma e sabor.

O processo de liofilização segue as seguintes etapas:

  1. O alimento é resfriado até temperaturas abaixo de 0 °C, para que a água contida nele seja solidificada.
  2. Em câmaras especiais, sob baixíssima pressão (menores do que 0,006 atm), a temperatura do alimento é elevada, fazendo com que a água sólida seja sublimada. Dessa forma, a água sai do alimento sem romper suas estruturas moleculares, evitando perdas de proteínas e vitaminas.

frutas liofizadas

O gráfico mostra parte do diagrama de fases da água e cinco processos de mudança de fase, representados pelas setas numeradas de 1 a 5.

diagrama de fases

A alternativa que melhor representa as etapas do processo de liofilização, na ordem descrita, é

a) 4 e 1.
b) 2 e 1.
c) 2 e 3.
d) 1 e 3.
e) 5 e 3.

Na primeira etapa, a água líquida sofre solidificação, ou seja, sofre o processo marcado pela seta de número 2. 

No segundo momento do processo, o alimento está sob uma ínfima pressão: sua água sofre transformação do estado sólido diretamente para de vapor, como indica a seta marcada por número 3. A alternativa que corresponde a essas afirmações é a letra C.

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