Curva de aquecimento da água

RKA2JV - Olá! Tudo bem com você? Você vai assistir agora a mais uma aula de Ciências da Natureza. Nesta aula, vamos conversar sobre a curva de aquecimento para a água. Uma curva de aquecimento mostra o comportamento da temperatura de uma substância pura ou de uma mistura em relação ao calor recebido por ela. Aqui, estamos vendo o diagrama de uma substância pura, que neste caso é a água. Neste diagrama temos a temperatura no eixo Y, que neste caso está medido em graus Celsius, e o calor fornecido à água no eixo X, que neste caso está sendo medido em quilojoules. Vamos dizer que temos 18,0 gramas de gelo e que nosso objetivo é calcular o calor total necessário para transformar esses 18 g de gelo, inicialmente a -25 °C, em vapor de água a 125 °C. Então, estamos começando com gelo a -25 °C. Sendo assim, primeiro precisamos aquecer o gelo até 0 °C, que é o ponto de fusão da água, ou seja, quando o gelo derrete. Então, em nossa curva de aquecimento, vamos aqui do ponto A ao ponto B. Para calcular o calor necessário, precisamos usar a equação q = mcΔt, onde "q" é o calor adicionado, "m" é a massa do gelo, "c" é o calor específico do gelo e Δt é a variação de temperatura, que é a temperatura final menos a temperatura inicial. Estamos tentando calcular "q". Sabemos que a massa do nosso gelo é de 18,0 g. O calor específico do gelo é igual a 2,03 J/g °C. E a variação de temperatura, sabemos que é a temperatura final menos a temperatura inicial. A temperatura final é 0 °C e a temperatura inicial é -25. Portanto, temos 0 - 25, que é +25 °C. Realizando o cálculo, os gramas serão cancelados, os graus Celsius também serão cancelados, e com isso teremos que q = 9,1 vezes 10² J. Nossa resposta está correta e tem apenas dois algarismos significativos, mas também poderíamos escrever 0,91 kJ, que também estaria correto. Agora que o gelo está a 0 °C, sabemos que ele vai derreter. Então, vamos do ponto B na curva de aquecimento até o ponto C. E, para calcular quanto calor é necessário para derreter o gelo, precisamos saber o calor latente de fusão do gelo, que é igual a 6,01 kJ/mol. Sabendo isso, precisamos descobrir quantos mols de gelo temos aqui. Para fazer isso, pegamos a massa de gelo, que é 18,0 g, e dividimos isso pela massa molar do H₂O, que é 18,0 g/mol. Os gramas serão cancelados e, realizando o cálculo, vamos ter 1,00 mol de gelo aqui. Aí, multiplicando isso por 6,01 kJ/mol, temos que os mols se cancelam e a nossa resposta vai ser 6,01 kJ. Agora que todo o gelo derreteu, temos água líquida. E, em nossa curva de aquecimento, vamos aquecer a água líquida de 0 °C até 100 °C, que é o ponto de ebulição da água. Ou seja, vamos ir do ponto C ao ponto D na curva de aquecimento. Para calcular o calor adicionado, usamos a equação q = mcΔt novamente. Sendo assim, temos que "q" é igual a, a massa ainda é 18,0 g, mas o calor específico agora mudou. Afinal, uma vez que temos água líquida, precisamos usar o calor específico da água líquida, que é 4,18 J/g °C. E, para a variação de temperatura, a temperatura final é 100. Portanto, temos 100 menos zero, que é igual a +100 °C. Ao realizar o cálculo, os gramas se cancelam, os graus Celsius também, e aí descobrimos que q = 7,52 vezes 10³ J. e isso é igual a 7,52 kJ. Assim, chegamos ao ponto D na curva de aquecimento. E agora estamos no ponto de ebulição da água. Dessa forma, o calor que adicionamos agora vai transformar a água líquida em água gasosa. Ou seja, indo do ponto D ao ponto E estamos fazendo uma mudança de fase. Precisamos saber o calor latente de vaporização da água. Isso é igual a 40,7 kJ/mol. Já sabemos que temos 1 mol de H₂O. Portanto, basta multiplicar 40,7 kJ/mol por 1 mol. Os mols se cancelam e, realizando o cálculo, chegamos à conclusão que é necessário 40,7 kJ de energia para transformar a água líquida em água gasosa, ou vapor. Agora vamos aquecer a água gasosa de 100 °C até 125 °C. Ou seja, vamos no ponto E ao ponto F na curva de aquecimento. E, para descobrir quanto calor precisamos adicionar, vamos usar novamente a equação q = mcΔt. Dessa forma, temos que "q" é igual à massa, que ainda é 18,0 g, vezes o calor específico, só que agora do vapor, que é 1,84 J/g °C, vezes a variação de temperatura, que é 125 - 100. Isso é +25 °C. Os gramas se cancelam, os graus Celsius se cancelam e, realizando o cálculo, chegamos à conclusão que q = 8,3 vezes 10² J, ou 0,83 kJ. Finalmente, depois de ter feito tudo isso, precisamos somar os valores calculados. Ok, a gente foi inicialmente do ponto A ao ponto B na curva de aquecimento, certo? Mas agora vamos pensar apenas na variação no eixo horizontal, ou seja, na quantidade de calor em quilojoules. Então, indo do ponto A ao ponto B, chegamos a um valor igual a 0,91 kJ. Do ponto B ao ponto C, temos isto aqui, que é mais 6,01 kJ. De C a D, temos esta variação aqui no eixo horizontal, que corresponde a mais 7,52 kJ. De D a E, tivemos esta grande distância aqui, que corresponde a mais 40,7 quilojoules. Finalmente, de E até F, calculamos que isto é igual a mais 0,83 kJ. Somando tudo isso, chegamos a 56,0 kJ. Esta é a quantidade de energia em forma de calor necessária para transformar 18,0 gramas de gelo a -25 °C em água gasosa a 125 °C. Agora que fizemos isso, vamos pensar sobre as inclinações das diferentes linhas em nossa curva de aquecimento. Primeiro vamos olhar para a linha que vai de B até C, e também para a linha que vai de D até o ponto E. Ambos os segmentos de reta representam mudanças de fase. Indo do ponto B até o ponto C, estamos indo de um sólido para um líquido. E, do ponto D até o ponto E, estamos passando de um líquido para um gás. Como a inclinação de ambas as linhas é zero, isso significa que, à medida que você adiciona calor aqui no eixo X, a temperatura não se altera, ou seja, não muda. Portanto, durante uma mudança de fase, toda a energia é usada para interromper as forças intermoleculares que estão presentes e elas não aumentam a temperatura. Portanto, não há aumento de temperatura durante uma mudança de fase. Olha aqui, do ponto D ao ponto E. Durante esse processo no gráfico, nós convertemos nossa água líquida em água gasosa. Assim, à medida que o calor é adicionado, toda essa energia é usada para quebrar as forças intermoleculares entre as moléculas de água: separar essas moléculas de água líquida e transformá-las em moléculas de água gasosa. Só depois que as moléculas de água líquida são convertidas em moléculas de água gasosa é que vemos a temperatura aumentar novamente. Aí, do ponto E ao ponto F, tudo está no estado gasoso e vemos um aumento de temperatura. Agora vamos comparar a inclinação da reta que vai do ponto A ao ponto B com a inclinação da reta que vai de C a D. Observando essas linhas, a inclinação da linha que liga o ponto A até o ponto B é um pouco mais acentuada que a inclinação da linha que liga o ponto C até o ponto D. O motivo para as diferentes inclinações tem a ver com os diferentes calores específicos. De A a B usamos o calor específico do gelo, que é 2,03 J/g °C. De C a D, usamos em nosso cálculo o calor específico da água, que é 4,18 J/g °C. Quanto mais alto o valor do calor específico, mais energia é necessária para elevar a temperatura de uma substância em uma certa quantidade. Então, vamos tentar comparar estes dois. Vamos dizer que a gente queira aumentar a temperatura do gelo em 25 °C. Vamos pensar sobre essa diferença aqui no eixo Y. Teríamos que aplicar apenas uma pequena quantidade de energia para fazer o gelo aumentar sua temperatura em 25 °C. Agora, vamos pensar nessa mesma variação de temperatura na água líquida. Se a gente tentar aumentar a temperatura da água líquida na mesma proporção, ou seja, 25 °C, vamos ter que adicionar mais energia. Sendo assim, no eixo X, temos que colocar mais energia para realizar a mesma variação de temperatura. E isso se deve ao fato de que a água líquida tem um calor específico mais alto. Já que pode ser um pouco difícil de ver neste diagrama, vamos pensar em colocar um pouco de calor em uma substância aqui. Eu vou desenhar uma linha horizontal e, em seguida, tentar realizar uma certa variação de temperatura. Então, eu vou desenhar uma linha vertical. Estes dois vão me dar uma reta com uma inclinação. Agora vamos dizer que estamos tentando realizar a mesma variação de temperatura. Eu vou desenhar esta distância Y aqui da mesma forma que antes. Mas agora temos um calor específico mais alto, portanto, é preciso mais energia. Sendo assim, esta distância X vai ser maior. E, quando aumentamos a distância X, percebemos que a inclinação diminui. Resumindo: quanto maior for o calor específico, menor será a inclinação da curva de aquecimento. Espero que você tenha compreendido essas ideias aqui e, mais uma vez, eu quero deixar para você um grande abraço e dizer que eu te encontro na próxima!