Calor latente e mudanças de fase: fusão, vaporização e curvas de aquecimento

Mudanças de fase e por que a temperatura “trava”

Em uma mudança de fase (por exemplo, gelo virando água), a substância pode receber ou ceder calor e, ainda assim, manter a temperatura constante durante o processo. Isso acontece porque a energia térmica trocada não está sendo usada para aumentar a agitação térmica média (que se relaciona com a temperatura), mas sim para romper ou formar interações entre as partículas, reorganizando a estrutura do material.

Esse calor trocado durante a mudança de fase é chamado de calor latente.

Calor latente e a relação Q = m·L

Quando ocorre mudança de fase a temperatura constante, usamos:

Q = m · L

• Q: quantidade de calor (J)
• m: massa (kg)
• L: calor latente específico (J/kg)

O valor de L depende do material e do tipo de mudança de fase (fusão, vaporização etc.). Em tabelas, você verá valores como L_f (fusão) e L_v (vaporização).

Continue em nosso aplicativo e ...

• Ouça o áudio com a tela desligada
• Ganhe Certificado após a conclusão
• + de 5000 cursos para você explorar!

ou continue lendo abaixo...

Baixar o aplicativo

Sinal de Q: quando é positivo ou negativo?

• Q > 0: o sistema absorve calor (ex.: gelo derretendo, água evaporando).
• Q < 0: o sistema cede calor (ex.: água congelando, vapor condensando).

Fusão e solidificação

Fusão é a passagem do estado sólido → líquido. Para a maioria das substâncias, ocorre ao atingir a temperatura de fusão (sob uma dada pressão). Durante a fusão, a temperatura fica constante enquanto o material absorve calor para quebrar a estrutura sólida.

Solidificação é o processo inverso líquido → sólido. A temperatura também permanece constante, mas agora o material libera calor para o ambiente.

Modelagem:

• Fusão: Q = + m · L_f
• Solidificação: Q = - m · L_f

Exemplo do cotidiano: gelo derretendo

Um cubo de gelo a 0 °C pode ficar um bom tempo “parado” nessa temperatura enquanto derrete. O calor recebido está sendo usado para a mudança de fase, não para aumentar a temperatura.

Vaporização e condensação

Vaporização é a passagem líquido → gasoso. Pode ocorrer como:

• Evaporação: lenta, ocorre na superfície, pode acontecer abaixo da temperatura de ebulição (ex.: roupa secando).
• Ebulição: rápida, com formação de bolhas em todo o líquido, ocorre na temperatura de ebulição (para uma dada pressão).

Condensação é o inverso gasoso → líquido, liberando calor.

Modelagem:

• Vaporização: Q = + m · L_v
• Condensação: Q = - m · L_v

Exemplos do cotidiano

• Água fervendo: ao atingir a temperatura de ebulição, a temperatura do líquido permanece praticamente constante enquanto a energia fornecida vai para a vaporização.
• Formação de orvalho: à noite, superfícies podem esfriar; o vapor de água do ar condensa em gotículas, liberando calor para a superfície/ambiente.

Curva de aquecimento e resfriamento: como ler e como construir

Uma curva de aquecimento é um gráfico que relaciona temperatura (eixo vertical) e calor fornecido ou tempo (eixo horizontal), quando aquecemos uma substância de forma controlada. A curva revela dois tipos de trechos:

• Trechos inclinados: há variação de temperatura (calor sensível).
• Patamares horizontais: há mudança de fase a temperatura constante (calor latente).

Passo a passo para interpretar uma curva

• 1) Identifique os patamares: cada patamar indica uma mudança de fase (fusão/solidificação, vaporização/condensação).
• 2) Separe o processo em etapas: cada trecho (inclinado ou patamar) vira uma etapa de cálculo.
• 3) Em trechos inclinados: use a relação de calor sensível (já estudada anteriormente) para calcular o calor da etapa.
• 4) Em patamares: use Q = m·L com o L adequado.
• 5) Some os calores (com sinais coerentes) para obter o total.

Passo a passo para construir uma curva (aquecimento)

• 1) Defina o estado inicial (ex.: gelo a -10 °C).
• 2) Aqueça até a temperatura de mudança de fase: desenhe um trecho inclinado até 0 °C (no caso da água).
• 3) Desenhe o patamar de fusão: linha horizontal em 0 °C enquanto o gelo derrete.
• 4) Após fundir, aqueça o líquido: novo trecho inclinado (água líquida aquecendo).
• 5) Desenhe o patamar de vaporização: linha horizontal na ebulição enquanto vaporiza.
• 6) Se continuar aquecendo o vapor: mais um trecho inclinado (aquecimento do gás).

Exercícios com etapas múltiplas (modelo de resolução)

Em problemas reais, é comum ter várias etapas: aquecer um sólido, fundir, aquecer o líquido, vaporizar. A estratégia é sempre a mesma: quebrar em etapas e aplicar a fórmula adequada em cada uma.

Exercício 1 — Aquecer gelo, fundir e aquecer a água

Enunciado: Qual o calor total para transformar m = 0,20 kg de gelo a -10 °C em água líquida a 20 °C? Use: c_gelo = 2,1×10^3 J/(kg·°C), L_f = 3,34×10^5 J/kg, c_agua = 4,18×10^3 J/(kg·°C).

Etapa A — Aquecer o gelo de -10 °C até 0 °C

Q1 = m · c_gelo · ΔT = 0,20 · 2,1×10^3 · (0 - (-10))

Q1 = 0,20 · 2,1×10^3 · 10 = 4,2×10^3 J

Etapa B — Fundir o gelo a 0 °C

Q2 = m · L_f = 0,20 · 3,34×10^5 = 6,68×10^4 J

Etapa C — Aquecer a água de 0 °C até 20 °C

Q3 = m · c_agua · ΔT = 0,20 · 4,18×10^3 · 20

Q3 = 1,672×10^4 J

Total:

Q_total = Q1 + Q2 + Q3 = 4,2×10^3 + 6,68×10^4 + 1,672×10^4

Q_total ≈ 8,772×10^4 J

Note como a maior parcela costuma ser a mudança de fase (termo com L), especialmente na vaporização.

Exercício 2 — Aquecer água e vaporizar (com patamar de ebulição)

Enunciado: Fornece-se calor a m = 0,10 kg de água a 25 °C até virar vapor a 100 °C (sem superaquecer o vapor). Use: c_agua = 4,18×10^3 J/(kg·°C), L_v = 2,26×10^6 J/kg.

Etapa A — Aquecer água de 25 °C até 100 °C

Q1 = m · c_agua · (100 - 25) = 0,10 · 4,18×10^3 · 75

Q1 = 3,135×10^4 J

Etapa B — Vaporizar a 100 °C

Q2 = m · L_v = 0,10 · 2,26×10^6 = 2,26×10^5 J

Total:

Q_total = Q1 + Q2 ≈ 2,5735×10^5 J

Exercício 3 — Resfriar vapor e condensar (atenção ao sinal)

Enunciado: Um vapor de água de massa 0,05 kg a 100 °C condensa totalmente a 100 °C. Calcule o calor trocado pelo vapor. Use L_v = 2,26×10^6 J/kg.

Como é condensação, o sistema cede calor:

Q = - m · L_v = - 0,05 · 2,26×10^6 = -1,13×10^5 J

O sinal negativo indica calor liberado para o ambiente.

Checklist rápido de identificação (qual fórmula usar?)

• Há mudança de fase? (temperatura constante no trecho) → usar calor latente: Q = m · L
• Há variação de temperatura? (trecho inclinado na curva) → usar calor sensível: Q = m · c · ΔT
• O problema tem várias etapas? → separar em trechos (aquecimento/resfriamento e patamares) e somar os Q de cada etapa com sinais coerentes