11.12
Curvas de Aquecimento e Arrefecimento
Quando uma substância, isolada do seu ambiente, é submetida a alterações térmicas, observa-se a alteração correspondente da temperatura e da fase da s…
Aquecimento ou arrefecimento de uma substância leva a uma alteração da temperatura, seguida de alterações de fase. O aquecimento de uma substância aumenta a energia térmica das suas moléculas, que se reflete como o aumento de temperatura até atingir um ponto de transição. Quando a substância tiver absorvido calor suficiente, as forças atrativas entre as suas moléculas são superadas, levando a uma transição de fase a uma temperatura constante.
Uma vez a transição esteja completa, o aquecimento resulta num aumento da temperatura novamente. Quando o calor é removido da substância, a diminuição da sua energia térmica das moléculas corresponde a uma queda na temperatura, até atingir um ponto de transição. Depois, a temperatura permanece constante e as forças intermoleculares mais fortes são restabelecidas durante a mudança de fase.
O comportamento de uma substância em resposta às mudanças de temperatura pode ser modelado utilizando curvas de aquecimento ou curvas de arrefecimento, onde a mudança de temperatura é traçada em função do calor adicionado ou removido. Consideremos um copo cheio com cubos de gelo, inicialmente a 20 graus Celsius. À medida que o calor flui para dentro, a temperatura do gelo sobe de forma constante.
A quantidade de calor absorvido no aquecimento do gelo depende da capacidade térmica específica do gelo. Uma vez derretido o ponto de fusão do gelo foi alcançado, a temperatura deixa de subir apesar do fluxo de calor contínuo. Os efeitos do calor absorvido enfraquece as forças intermoleculares até que o gelo esteja completamente derretido em água líquida.
O patamar do equilíbrio dos sólidos líquidos é característico da fase de transição para uma temperatura constante. A entalpia muda entre o início e o fim do patamar e indica o montante de calor necessário para o processo de fusão, ou, por outras palavras, a entalpia da fusão da água. Após o derretimento o processo está completo, o calor absorvido resulta num aumento linear correspondente em temperatura.
A capacidade de calor específica da água dita o montante de calor absorvido. No ponto de ebulição, a temperatura deixa de subir. O calor absorvido em vez disso, contribui para superar as forças atrativas entre as moléculas da água até que a água vaporiza completamente.
O patamar do equilíbrio dos líquidos-gasosos representa a fase de transição de uma temperatura constante. A alteração na entalpia entre o início e fim do patamar é a entalpia de vaporização da água. Afinal de contas o líquido transforma-se em vapor, o calor adicional faz com que a temperatura suba novamente.
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Q1: Why does temperature remain constant during a phase transition?
During a phase transition, absorbed heat overcomes intermolecular forces rather than increasing molecular kinetic energy. The temperature stays constant until the transition completes because all heat energy goes toward breaking attractive forces between molecules. Once the phase change finishes, additional heat resumes raising temperature.
Q2: What does the plateau on a heating curve represent?
A plateau represents a phase transition occurring at constant temperature. During melting or boiling, the temperature does not rise despite continuous heat input. The plateau's length indicates the duration of the phase change, while its vertical position shows the melting or boiling point temperature.
Q3: How does specific heat capacity affect temperature change in a heating curve?
Specific heat capacity determines how much heat a substance absorbs to change temperature by one degree. Materials with higher specific heat capacities require more heat for the same temperature increase, resulting in steeper slopes on heating curves. The relationship is expressed as q equals mass times specific heat times temperature change.
Q4: What is the difference between enthalpy of fusion and enthalpy of vaporization?
Enthalpy of fusion measures heat required to melt a solid into liquid at constant temperature. Enthalpy of vaporization measures heat required to vaporize a liquid into gas at constant temperature. Vaporization typically requires significantly more energy than fusion because gas molecules are farther apart and intermolecular forces are completely overcome.
Q5: How does a cooling curve differ from a heating curve?
A cooling curve plots temperature decrease as heat is removed from a substance, creating a mirror image of a heating curve. Like heating curves, cooling curves show plateaus at phase transitions where temperature remains constant as intermolecular forces re-establish. The slopes reflect specific heat capacities of each phase during cooling.
Q6: Why does boiling become more vigorous when heat is applied faster?
When heat is supplied at a greater rate during boiling, the temperature remains constant because the substance is already at its boiling point. Instead of raising temperature, excess heat accelerates the vaporization process, causing more vigorous bubble formation. The temperature plateau persists until all liquid has transformed into gas.
Q7: What determines the slope of a heating curve between phase transitions?
The slope between phase transitions depends on the specific heat capacity of the phase being heated. Solids, liquids, and gases have different specific heat capacities, producing different slopes. A steeper slope indicates lower specific heat capacity, meaning less heat is needed to raise temperature by one degree.