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Curso: Energia biológica > Unidade 8
Lição 1: Na cozinha tem gelo, tem água, tem água fervendo...Estados da matéria
Introdução aos estados ou fases da matéria. Versão original criada por Sal Khan.
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- Não entendi o conceito de entalpia, alguém poderia me explicar?(1 voto)
- A entalpia (H) é uma função de estado que permite obter as variações de energia (calor) quando um sistema está a uma pressão constante.(3 votos)
- É curioso, e até interessante, a matéria não aumentar sua temperatura nos processos de mudança de fase, ou seja, ela ganha calor mas não ganha temperatura, não é louco? :)(1 voto)
Transcrição de vídeo
RKA1JV - Bom, eu acho que já estamos
razoavelmente habituados com os três estados da matéria
em nosso cotidiano. Em temperaturas altíssimas,
existe um quarto estado, mas os três estados com os quais
normalmente lidamos, são algo que pode ser um sólido, um líquido, ou que pode ser um gás. Temos essa noção geral e acho que a água é o exemplo que sempre
vem, pelo menos à minha mente. O sólido acontece quando
as coisas estiverem mais frias. Relativamente mais frias. E, conforme você aquece, você vai para um estado líquido. Conforme você aquece mais ainda, você vai para o estado gasoso. Portanto, você vai do mais
frio para o mais quente. No caso da água, quando você
for um sólido, você é gelo. Quando for um líquido, algumas pessoas
chamariam de água gelada, mas vamos chamar de água líquida. Acho que já sabemos o que é isso. E, quando estiver no estado gasoso, é essencialmente vapor. Ou vapor d'água. Vamos pensar um pouco sobre o que, pelo menos no caso da água, e a analogia vai se estender
aos outros tipos de moléculas, mas o que a água tem que a faz
sólida quando mais fria? O que ela tem que permite
que seja líquida? Vou ser franco, os líquidos são
um tanto mais fascinante porque você nunca pode simplificá-los. Eu acho que é a melhor maneira de vê-los. Ou um gás. Vamos desenhar uma
molécula de água. Portanto, há oxigênio. Tem algumas ligações de hidrogênio e tem também dois pares de
elétrons de valência no oxigênio. Alguns vídeos atrás, dissemos que o oxigênio é muito mais eletronegativo que o hidrogênio. O oxigênio gosta de atrair elétrons, mesmo que isso mostre que estão
compartilhando elétrons aqui e aqui. Nas extremidades dessas linhas, você pode ver que o hidrogênio
está contribuindo com um elétron. E o oxigênio contribuindo com um elétron
nas duas extremidades daquela linha. Sabemos que por causa
da eletronegatividade ou a relativa eletronegatividade
do oxigênio, ele está atraindo esses elétrons. Então, os elétrons passam muito mais tempo ao redor do oxigênio do que
ao redor do hidrogênio. O resultado disso é que, na extremidade do oxigênio da molécula, você vai ter uma carga parcial negativa. Já falamos um pouco sobre isso. Na extremidade do hidrogênio na molécula, você vai ter uma carga
ligeiramente positiva. Se essas moléculas tiverem
uma energia cinética baixa, elas estão se movimentando muito. Então, as extremidades positivas
dos hidrogênios estão bem atraídas pelas extremidades
negativas do oxigênio das outras moléculas. Vou desenhar mais algumas moléculas. Quando falamos sobre
o estado físico da matéria, estamos pensando, na verdade, sobre como as moléculas estão
interagindo umas com as outras. Não apenas sobre como os átomos
interagem entre si dentro da molécula. Desenhei somente um oxigênio,
vou copiar e colar isso, mas eu poderia desenhar vários oxigênios. E digamos que aquele hidrogênio
queira ficar perto deste oxigênio porque este tem uma
carga parcial negativa. Este tem uma carga parcial positiva. Então, eu poderia fazer mais um logo ali. Talvez tenhamos, apenas para
mostrar o que quero dizer, esses dois hidrogênio aqui, talvez um oxigênio queira ficar ali. Você talvez tenha um oxigênio
que queira ficar aqui porque ele tem a carga
parcial negativa aqui. E está conectado os dois
hidrogênios bem aqui que possuem suas
cargas parciais positivas. Você pode perceber uma estrutura em forma de rede,
vou desenhar essas ligações. Essas ligações polares que começam a se formar entre as partículas. Essas ligações são chamadas
de ligações polares porque as moléculas em si são polares. E você pode ver que elas formam uma estrutura em forma de rede. E, se uma dessas moléculas
não tiver muita energia cinética, poderíamos dizer que a energia
cinética média dessa matéria é relativamente baixa. Mas o que sabemos sobre
a energia cinética média? Isso é temperatura. Então, essa estrutura em
forma da rede será sólida, essas moléculas não vão se mover
em relação às outras. Eu poderia desenhar
muito mais moléculas, mas eu acho que você entendeu que
estamos formando uma estrutura fixa. E, quando estamos no estado sólido, conforme adicionamos energia cinética, conforme acrescentamos calor, o que acontecerá com
as moléculas é que elas passarão a vibrar um pouquinho. Se eu fosse um cartunista, eu poderia desenhar essas marcações
para indicar a vibração. Isso não é muito científico, mas elas vibrariam, começariam
a dar uma leve tremida. Estou desenhando flechas para
indicar que estão vibrando. Não precisa ser somente para os lados, pode ser também para cima e para baixo. Mas, conforme você vai adicionando
mais e mais calor a um sólido, essas moléculas vão manter sua estrutura. Elas não vão se mover
em relação às outras, mas elas irão converter esse calor. E o calor é apenas uma forma de energia, em energia cinética, que é expressa como
a vibração dessas moléculas. Se você fizer essas moléculas
vibraram bastante, e colocar a energia cinética
suficiente nessas moléculas, o que acha que acontecerá? Esta molécula está vibrando bastante
e ela está vibrando cada vez mais, conforme mais calor for adicionado. Esta molécula está fazendo o mesmo. Em algum momento, essas ligações
polares que existem entre elas não serão fortes o bastante
para conter as vibrações. Quando isso acontecer, as moléculas, vou desenhar mais algumas. Quando isso acontecer, as moléculas
vão começar a se mover entre elas. De repente, a molécula
começará a mudar de posição, mas as moléculas ainda se atraem. Talvez, esse lado se mova para cá,
e aquele se mova para lá, outras moléculas movem-se naquela direção, mas elas ainda estão atraídas entre si. Mesmo que tenhamos
conseguido energia cinética para fazer com que as vibrações rompam as ligações entre as
extremidades polares da molécula, nossa vibração ou nossa energia cinética
de cada molécula ainda não é forte o bastante para separá-las completamente. Elas estão começando
a escorregar entre si. Basicamente é isso que acontece quando
você estiver em um estado líquido. Há muitos átomos que querem entrar
em contato uns com os outros, mas que estão escorregando. Eles têm energia cinética suficiente
para escorregar entre si e romper essa sólida estrutura
em forma de rede. E se você adicionar ainda mais
energia cinética, ainda mais calor, nesse ponto, já será uma solução. As moléculas não poderão nem ficar juntas, elas não vão poder ficar
perto uma das outras. Se você adicionar energia
cinética suficiente, as começarão a ter essa aparência. Elas vão separar-se completamente, e, de certa forma,
saltitar independentemente. Principalmente, se forem
consideradas um gás ideal. Mas, em geral, em gases, elas não estão
mais tocando umas nas outras. Talvez, elas possam colidir entre si, mas elas possuem tanta
energia cinética própria que elas estão agindo por conta própria. E não estão se tocando. Eu acho que isso é bem intuitivo, se você pensar sobre o que é um gás. Por exemplo, é difícil ver um gás. Porque é difícil ver um gás? Porque as moléculas estão
muito longe umas das outras. Elas não sofrem a ação da luz da mesma maneira que um
líquido ou um sólido sofreria. E se continuarmos indo ainda
mais longe com isso, com o sólido, provavelmente não deveria
usar o exemplo do gelo, porque o gelo ou água,
é uma das poucas situações em que o sólido é
menos denso que o líquido. É por isso que o gelo é flutua, é por isso que usar icebergs não afundam
para o fundo do oceano. E os lagos não congelam por completo. Mas você pode imaginar isso
porque um líquido é, na maioria dos casos, além da água,
menos denso. Esse é um outro motivo
que explica por que você pode enxergar através dele
um pouco melhor. Ou ele difrata, não vou entrar em
muitos detalhes como faz um sólido. Mas com o gás fica mais óbvio,
e é válido para a água. A forma líquida é definitivamente mais densa do que a forma gasosa. Na forma gasosa, as moléculas vão pular sem tocar umas nas outras. Por causa disso, mais luz consegue
atravessar a substância. Agora a pergunta é: como podemos medir
a quantidade de calor necessária para que isso aconteça com a água? Para explicar isso, eu vou desenhar
um diagrama de mudança de fase, que é uma maneira elegante
de descrever algo bastante simples. Esta é a quantidade de calor adicionada e esta é a temperatura. Falaremos sobre os estados
da matéria em segundo. O calor é geralmente
representado pela letra "Q". Às vezes, as pessoas vão
falar sobre variações de calor e será usada a letra "H"
maiúscula e minúscula. O símbolo Δ será colocado
antes da letra "H", Δ significa variação e, às vezes,
você vai ouvir a palavra entalpia. Vou escrever isso. Eu costumava perguntar o que era entalpia,
pode ser confundida com empatia. Mas é um conceito bastante diferente, pelo menos tanto quanto minhas conexões
neurais possam identificá-lo. A entalpia está intimamente
relacionada ao calor, é o conteúdo de calor. No nosso caso, quando você ouvir
alguém dizer variação de entalpia, você deveria pensar apenas
em variação de calor. Eu acho que essa palavra foi
introduzida somente para confundir os estudantes de Química e introduzir uma palavra não intuitiva
em seu vocabulário. A melhor maneira de pensar sobre isso
é conteúdo de calor. A variação de entalpia significa
apenas variação de calor. E, lembre-se, todas essas coisas
falando de calor e energia cinética, energia potencial, entalpia, você vai ouvi-las em contextos diferentes. E pode pensar que deveria
ter usado a palavra calor enquanto eles estão falando de entalpia. Todas essas são formas de energia e todas elas são medidas em joules. Elas podem ser medidas de outras formas, mas a forma tradicional é em joules. A energia é a capacidade
de realizar trabalho. Qual a unidade para trabalho?
É o joule, força vezes distância. Esse é um comentário adicional. É bom conhecer essa palavra entalpia, especialmente, do ponto de vista da
Química, porque é usada o tempo todo. E pode ser muito confusa e não intuitiva, porque você pensa que não sabe
o que é entalpia em seu cotidiano. Basta pensar nisso como conteúdo de calor, porque isso é realmente o que é. Voltando, nesse eixo, tem o calor. Isto é quando tiver um pouquinho de calor. Estou aumentando o calor
e esta é a temperatura. Digamos que em temperaturas baixas,
eu esteja aqui. E, ao acrescentar calor,
a temperatura vai aumentar. A temperatura é energia cinética média. Digamos que eu esteja
no estado sólido aqui, vou usar a cor roxa para o estado sólido. Mas, eu já estava usando o roxo,
vou usar magenta. Portanto, ao acrescentar calor, a temperatura vai aumentar. O calor é uma forma de energia, ao acrescentar calor a essas moléculas,
como eu fiz nesse exemplo, o que aconteceu? As moléculas começaram a vibrar mais, as moléculas tiveram
uma energia cinética maior ou uma energia cinética média maior. A temperatura é uma medida
de energia cinética média. Portanto, ao acrescentar
calor na fase sólida, a energia cinética média vai aumentar. Vou anotar isso. Isso está em fase sólida ou
em estado sólido da matéria. Uma coisa muito interessante acontece. Digamos que isso seja água, então, o que acontece a zero grau? Isso equivale a 273,15 Kelvin. Digamos que seja essa linha, o que acontece com o sólido? Ele se transforma em um líquido,
o gelo derrete. Nem todos os sólidos, estamos falando em particular
sobre a água, sobre H₂O. Em nosso exemplo, isso é gelo, nem todos os sólidos são gelo. Você poderia pensar em uma
rocha como um magma sólido, porque isso é o que ela é. Eu poderia usar essa analogia
de várias formas diferentes, mas a coisa interessante
é que acontece a zero grau. Mas, dependendo da direção
na qual você estiver indo, seja o ponto de congelamento da água
ou ponto de fusão do gelo, algo interessante acontece. Ao acrescentar mais calor,
a temperatura não aumenta, ao acrescentar mais calor, a temperatura não aumenta
durante um pequeno período. Vou desenhar isso. Durante um pequeno período, a temperatura permanece constante. Enquanto a temperatura
permanecer constante, ele permanece um sólido. Ainda estamos no estado sólido. Em seguida, nos transformamos
finalmente em líquido, digamos, bem aqui. Portanto, adicionamos certa
quantidade de calor e ele permaneceu um sólido. Mas chegamos ao ponto do qual
o gelo transformou-se em um líquido, ele estava derretendo o tempo todo. Essa é a melhor forma de ver isso. Em seguida, ao continuar acrescentando
mais e mais calor, o líquido também aquece. Agora chegamos a temperatura que se torna interessante de novo para a água. Obviamente 100 graus Celsius ou 373 Kelvin. Vou usar Celsius por enquanto. Estamos mais habituados. O que acontece? Essa é a temperatura em que
a água vai evaporar ou em que a água vai ferver. Mas algo acontece, as moléculas
estão ficando cineticamente ativas. Assim como aconteceu quando passamos
do estado sólido para o estado líquido, há uma certa quantidade de energia com a qual é necessário
contribuir para o sistema. Na verdade, é uma quantidade significativa nesse ponto no qual a água
está se transformando em vapor. Não está ficando mais quente. Portanto, temos que continuar
acrescentando calor. Mas você pode perceber que
a temperatura não aumentou, falaremos em um segundo sobre o que
estava acontecendo naquele momento. Finalmente, depois desse ponto,
estamos completamente vaporizados ou em total estado de vapor. Então, podemos começar a aquecer. O vapor pode ficar mais quente à medida que acrescentamos
mais e mais calor para o sistema. Portanto, a pergunta interessante,
eu acho que é intuitiva, é que, ao acrescentar calor aqui,
a temperatura vai aumentar? Mas a coisa interessante é
o que estava acontecendo aqui. Estávamos acrescentando o calor aqui. O calor estava se tornando
energia cinética, a temperatura é
energia cinética média. Mas aqui, o que estava fazendo o calor? O calor não estava adicionando
energia cinética para o sistema. A temperatura não estava aumentando, mas o gelo estava indo
de gelo para a água. O que estava acontecendo
naquele estado é que, a energia cinética, o calor estava sendo
usado para quebrar essas ligações. E, basicamente, para trazer as moléculas em um estado de energia mais alto. Você poderia dizer: "O que significa isso,
estado de energia mais alto?" Se não houvesse todo esse calor
e toda essa energia cinética, essas moléculas querem ficar
muito próximas umas das outras. Por exemplo, eu quero ficar
perto da superfície da Terra. Quando você me colocar em um avião, você tem que me colocar em
um estado de energia mais alto. Eu tenho muito mais energia potencial, eu tenho energia potencial
para cair em direção à Terra. Da mesma forma, quando você
separar essas moléculas e quando você for de
um sólido para um líquido, as moléculas querem cair
em direção umas das outras. Por terem tanta energia cinética,
elas nunca conseguirão fazê-lo. Mas sua energia aumenta, sua energia potencial é maior, porque elas querem cair
em direção umas das outras. Caindo em direção umas das outras, em teoria, elas poderiam
realizar trabalho. O que está acontecendo aqui quando
estivermos contribuindo com calor? E esta quantidade de calor com a qual
estávamos contribuindo é chamada calor de fusão. Pois é a mesma quantidade de calor, independentemente da direção
na qual estamos indo. Quando passamos de sólido para líquido, você pode vê-lo como
um calor de derretimento. É o calor que você precisa acrescentar
para derreter o gelo, tornando-o mais líquido. Quando você estiver indo nessa direção, é o calor que você tem que retirar da água a zero grau para transformá-lo em gelo. Você está retirando
essa energia potencial, trazendo as moléculas para cada vez
mais perto umas das outras. A maneira de pensar sobre isso é: bem aqui este calor está sendo
convertido em energia cinética. Nessa mudança de fase,
de sólido para líquido, esse calor está sendo usado para adicionar energia
potencial ao sistema. Para separar as moléculas, para lhes dar mais energia potencial. Se você me afastar da Terra, você está me conferindo energia potencial, porque a gravidade quer
me puxar de volta para a Terra. Eu poderia realizar trabalho
ao cair de volta para a Terra. Uma cachoeira realiza trabalho, ela pode mover uma turbina. Muitos sais caindo poderiam
também mover uma turbina. Então, quando você estiver
totalmente no estado líquido, o líquido se tornará cada vez mais quente. Mais uma vez, o calor está sendo
utilizado para a energia cinética. Você está fazendo com que
as moléculas de água se movam sobre as outras
cada vez mais rápido. Até algum ponto no qual elas querem dissociar-se completamente
umas das outras. Elas nem querem escorregar entre si, mas apenas saltar longe umas das outras. É isso o que acontece bem aqui, esse é o calor de vaporização. Está acontecendo a mesma coisa. Antes, as moléculas estavam
escorregando umas perto das outras. Agora, elas estão se
separando completamente. Definitivamente, elas poderiam
cair perto umas das outras. Após termos acrescentado
essa quantidade de calor, agora estamos apenas
aquecendo o vapor. Estamos apenas aquecendo
a água no estado gasoso que está ficando cada vez mais quente. Mas a coisa interessante, quer dizer,
pelo menos interessante para mim, quando eu aprendi isso
pela primeira vez, é que sempre que falar em água
a zero grau, vou pensar em gelo, mas isso não é necessariamente o caso. Se você começar com água
esfriando-a até zero grau, você está basicamente
retirando o calor da água. Pode haver água a zero grau
que ainda não se transformou em gelo. Da mesma forma, poderia
haver água a 100 graus que ainda não se transformou em vapor. Mais energia deve ser adicionada. Pode haver também vapor a 100 graus, pode haver também água a zero grau. Espero que isso lhe dê uma noção sobre os diferentes estados da matéria. No próximo problema, vamos falar sobre a quantidade exata de calor necessária para se mover ao longo dessa linha. E, talvez, possamos resolver
alguns problemas relativos a quanto gelo seria necessário
para esfriar a nossa bebida.