Diagrama de fases

RKA3JV Todas as mudanças de fase que vimos até agora, em condições de pressão constante, e especialmente com os problemas que venho tendo com as mudanças de fase da água nos últimos vídeos, estavam à pressão atmosférica. Pelo menos à pressão atmosférica ao nível do mar ou 1 atm. Foi feito assim, bem, eu vou explicar este diagrama em um segundo. Mas, todos sabemos que, no universo, a pressão não é sempre constante e, definitivamente, não é sempre constante a 1 atmosfera. Uma atmosfera foi definida como a pressão ao nível do mar da Terra. Obviamente, a pressão irá variar de forma descontrolada se fôssemos para planetas menores ou maiores, ou se as atmosferas fossem mais espessas, ou se estivéssemos apenas fazendo tipos de aplicações diferentes lidando com gases, líquidos e sólidos. Então, o que eu desenhei aqui é um diagrama de fase. Deixe-me escrever isso. Há muitas formas de diagrama de fase, esta é uma forma mais comum que você poderá ver na aula de Química ou em algum teste padronizado. Mas, o que ela capta são os diferentes estados da matéria e quando transitam de acordo com a temperatura e pressão. Este é o diagrama de fase da água. Então, só para entendermos o que está acontecendo aqui, neste eixo temos a pressão, no eixo "x" tenho a temperatura. Em um determinado ponto este diagrama vai dizer se estamos lidando com um sólido ou não. Então, sólido será aqui, o líquido será aqui ou um gás. Por exemplo, se eu lhe dissesse que estava a zero grau. Digamos que estava zero grau bem aqui, se eu estou a zero grau Celsius e 1 atmosfera, onde estou? Então, 0°C e 1 atmosfera, estou bem nesse ponto aqui. Então, eu estou no ponto limítrofe entre sólidos e líquidos a 1 atmosfera de pressão, certo? Isso ocorre quando estamos a 1 atmosfera de pressão. Portanto, isso coincide com a nossa noção tradicional de quando a água congela ou quando o gelo derrete a 0°C. O que aconteceria se aumentássemos a pressão? Bem, então neste caso o gelo iria começar a derreter a uma temperatura mais baixa, certo? Portanto, essa é a pressão subindo. Digamos, não sei quanto é isso, talvez 10 atmosferas. 10 vezes a pressão atmosférica da Terra ao nível do mar. E, de repente, a temperatura na qual o sólido se transforma em líquidos, essa transição é sólido para líquido, a temperatura na qual isso ocorre vai ser reduzida. Da mesma forma, se reduzíssemos a pressão, se fossemos a Denver, que é cerca de 1.500 metros acima do nível do mar, a pressão seria menor, porque nós temos menos atmosferas acima da gente. De repente, o ponto de congelamento iria crescer. Então, o ponto de congelamento iria ser um pouco acima de 1°C. Isso não é um desenho em escala, mas a ideia é de que o gelo, na verdade, iria congelar um pouco mais rápido, iria congelar a uma temperatura maior em Denver do que às margens do Mar Morto ou no Vale da Morte, ou em algum lugar abaixo do nível do mar no planeta. Agora, essa transição é a transição entre qualquer coisa e gás. E estamos familiarizados, isso é 1 atm. E, lembre-se, estamos lidando com a água, este é o diagrama da água. Então, a 1 atmosfera e isso é, de certa forma, o que estamos acostumados a ver. Deixe-me traçar uma linha aqui. Então, a 1 atmosfera, 0°C está onde sólidos ou gelo se transformam em água líquida. Depois, vamos até aqui, continuamos a aumentar cada vez mais a temperatura e aqui isso seria, desde que estivéssemos a 1 atmosfera, isso seria 100°C, bem aqui. Este é o ponto, a 1 atmosfera de pressão, em que os líquidos se transformam em gás, ou a água se evapora, ou o líquido entra em ebulição. Todas essas formas são maneiras de pensar aceitáveis. Mas o que acontece quando vamos a uma baixa pressão? Mais uma vez vamos viajar para Denver. Então, Denver está bem aqui. Não é tão drástico assim, só estou fazendo isso por propósitos pedagógicos, ou, melhor ainda, digamos que é o monte Everest. Há muito pouca pressão no monte Everest. Então, o nosso ponto de congelamento, já dissemos que aumenta quando abaixamos a pressão e o ponto de ebulição abaixa. Por isso, é muito mais fácil ferver algo no monte Everest, do que ferver algo na base ou no ponto mais baixo do Vale da Morte ou no Mar Morto. A intuição por trás disso é que, se temos um líquido, um grupo de moléculas em estado líquido, e elas estão tocando umas nas outras, mas elas possuem energia cinética suficiente para passarem por entre elas, de forma que estejam fluindo por entre as outras, como se estivessem se esfregando umas nas outras, então, uma das razões pelas quais não simplesmente se evaporam, o porquê deste cara não simplesmente pular para lá, é que existe ar sobre ele. Há pressão de ar! E a pressão do ar, já falamos sobre ela quando vimos o PV= nRT, é um grupo de moléculas de ar. E a pressão que criam é basicamente causada pela temperatura e a energia cinética delas. E ficam ali, saltam e basicamente evitam que essas moléculas mais pesadas subam. Basicamente, evitam que se separem umas das outras e se transformem em gás. Assim, quanto mais pressão tivermos, mais difícil será para estes caras escaparem. Por outro lado, se estivermos em um vácuo, se estivermos fazendo isso na superfície da lua, ou não houver nenhum destes caras lá, então, um pequeno esbarrão, mesmo que este cara ainda estivesse sendo um pouco atraído para cá, ainda que estivessem sendo atraídos uns aos outros, mas, com um mero esbarrão, já que não há pressão aqui em cima da superfície da lua, poderia permitir que este cara escapasse e virasse diretamente um gás. Então, se reduzíssemos a pressão, é muito mais fácil ir de líquido para gás ou ainda mais de sólido para gás. Então, vocês poderiam dizer: este é um conceito bizarro sobre sólido para gás! Acontece que, se tivermos uma pressão suficientemente baixa aqui, quero dizer, digamos que, na verdade, provavelmente não exista nada assim, mas, provavelmente é próximo a um vácuo. Poderia ir de gelo, então, se pegássemos gelo e estivéssemos na lua, estivéssemos na temperatura certa, provavelmente aqui é alguma temperatura negativa em Celsius, Eu não sei qual a temperatura ao certo. O seu gelo, na lua, iria diretamente de gelo a gás, porque há este enorme vácuo aqui. Por isso, as moléculas diriam: bem, há todo este espaço para ser preenchido e se sofrerem um pequeno esbarrão, vão conseguir escapar e se transformar em gás. Vocês poderiam dizer: este fenômeno estranho só acontece na Lua? E para contra-argumentar este comentário, desenhei o diagrama de fases do dióxido de carbono. Está em todos os lados, estamos exalando dióxido de carbono ao conversar. Espero que as plantas da sala estejam inalando, mas o dióxido de carbono a 1 atmosfera possui um comportamento muito diferente da água. Este é o dióxido de carbono a 1 atmosfera. Só para informar, esta graduação definitivamente não está desenhada em escala. A diferença entre 1 atmosfera e 5 atmosferas não é a mesma que entre 5 atmosferas e 73 atmosferas. Da mesma forma, este aqui também não está desenhado em escala, a distância aqui é muito maior do que isso. Se tivesse realmente que desenhar em escala, teria que esticar este gráfico para fora ou fazer algum gráfico logarítmico ou algo parecido. De qualquer forma, eu estava falando sobre o dióxido de carbono. Portanto, este é o dióxido de carbono sólido, este é o gás, e este é o dióxido de carbono líquido. Então, a 1 atmosfera, digamos que vivemos ao nível do mar, como vocês e em Nova Orleans. Eu acho que é um pouco abaixo do nível do mar. Se conseguisse regular a temperatura da sua geladeira para -80°C, o dióxido de carbono iria congelar. E isso não é de total desconhecimento para vocês, ou pelo menos não deveria ser. Caso tenham ido a algum, não sei se ainda usam aquelas máquinas de fumaça para efeitos visuais em palcos, mas aquilo é gelo seco, é o dióxido de carbono congelado. Se estiver com uma pressão atmosférica ao nível do mar, assim que ultrapassar a temperatura de 78,5°C, se transforma em gás. Assim, este processo no qual há uma transformação direta de um sólido para gás, é a sublimação. E é por isso que o gelo seco quando vemos, não é possível ver o gelo seco ou não podemos vê-lo em pressões normais. Eu nunca vi dióxido de carbono líquido. Na verdade, para conseguir dióxido de carbono líquido é necessário ficar acima de 5 atmosferas. É preciso ficar 5 vezes acima da pressão ao nível do mar na Terra. Por isso, não será realmente possível ver isso em condições naturais na Terra. Podemos ver isso em Júpiter ou em Saturno, onde temos enormes pressões por causa da gravidade e toda a atmosfera que fica ali em cima. O dióxido de carbono líquido será possível ver, na verdade, não sei se em Júpiter há carbono, mas provavelmente será possível vê-lo em outros planetas enormes que possuem uma quantidade enorme de gás. Mas, na Terra, este processo é apenas chamado de sublimação. É apenas uma palavra bacana ou está sublimando. Vai diretamente de sólido para gás, e é algo que vemos com gelo seco. Agora, há alguns outros pontos interessantes aqui e, provavelmente, você já tenha percebido. Este aqui é chamado de ponto triplo, porque bem aqui, bem, no caso do dióxido de carbono a 5 atmosferas e a -56°C, o dióxido de carbono está em um estado de equilíbrio entre gelo, líquido e gás. É um pouco de cada um dos três. E se empurramos em uma direção ou em outra, ao empurramos a pressão ou a temperatura, irá para aquela direção. Da mesma forma, o ponto triplo da água está bem aqui. Esta é uma pressão muito menor do que estamos acostumados a lidar. Este é 0,611 quilopascal (kPa) ou apenas 611 Pa, que é 5 milésimos de 1 atmosfera. Então, se ficarmos 5/1000 de 1 atmosfera e um pouco acima de 0°C, temos o ponto triplo da água, onde a água poderá assumir qualquer um desses estados se for empurrada em uma direção ou em outra. Agora, outro ponto interessante nestes gráficos aqui em cima, este é um ponto crítico. Parece muito importante, ponto crítico. Este é o ponto que, se elevarmos a temperatura ou a pressão de forma a ultrapassá-lo, estaremos lidando com um fluido supercrítico. Parece muito interessante. Então, para isso temos um fluido supercrítico. Portanto, temperatura muito alta, pressão muito alta. A temperatura é tão alta que quer ser um gás, mas estamos colocando tanta pressão sobre ele, que quer ser um fluido. Por isso, um pouco dos dois. E no caso da água, a água supercrítica é, na verdade, utilizada como solvente. Porque, imagine, é um pouco parecida com a água líquida em coisa que pode dissolver com ela, mas a temperatura é tão alta que pode espalhar-se em sólidos. Ela é muito boa para remover qualquer coisa que queira, de qualquer coisa que esteja tentando limpar ou de alguma forma para penetrar ou remover sal e colocar na água. Portanto, este é o fluido supercrítico, e é algo interessante de se pensar. Mas, enfim, eu só queria mostrá-los estes diagramas muito legais. Tudo o que eu fiz até agora estava em uma pressão constante e eu alterava a temperatura, mas é possível também interpretar isso de outra maneira. Se eu estou a 100°C, bem, digamos que eu estou a 110°C, onde, ao nível do mar, estou confortavelmente na fase gasosa, então, isso é para 110°C para a água. É vapor d'água, mas se tiver que aumentar a pressão e continuar a aumentá-la, talvez cavando um buraco ou entrando em alguma coisa que fosse para dentro do oceano, então, iria se condensar em água ou iria se condensar em líquido. Se eu fizesse essa experiência aqui, ao aumentar a pressão, eu vou reverter a sublimação. Eu acho que eu anotei uma palavra para descrever isso. Deixe-me ver, eu escrevi em algum lugar. Não, eu não anotei! Mas é, basicamente, algo como a condensação. Mas, a palavra fugiu da minha cabeça neste instante. É algo que tem relação com a palavra condensação. Enfim, eu esqueci a palavra. Mas, vai direto de gás para sólido. Então, estes são diagramas muito legais, eles realmente explicam muito sobre as diferentes substâncias, e, então, nos dizem o que acontece quando a pressão ou a temperatura varia.