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!
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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.
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.
- 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:
Enquanto a água líquida ferve, liberam-se bolhas de vapor e, ao mesmo tempo, flutuam pedras de gelo na superfície do fluido.
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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.
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.
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:
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:
- O alimento é resfriado até temperaturas abaixo de 0 °C, para que a água contida nele seja solidificada.
- 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.
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.
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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