Estado metaestável e de equilíbrio

Teoria Completa

Fala aiiiii pessoal!

Em algum momento da sua vida, você deve ter percebido o seguinte: uma garrafa de cerveja que estava no congelador, ao ser retirada do congelador com as mãos, a bebida que inicialmente estava líquida e gelada, começou a cristalizar diante dos seus olhos.

  Você deve estar se perguntando, por que isso acontece? Vamos entender o porquê?

Estado de equilíbrio termodinâmico

A estabilidade de uma microestrutura de um material depende do estado de equilíbrio do material a uma dada temperatura e pressão. A estabilidade “emocional” do material pode ser classificada como: metaestável e de equilíbrio. Vamos entender melhor o que são estes estados?

Estado metaestável

Vamos observar o bloco abaixo, a face de menor área está apoiada sobre o piso e se manterá nessa posição, porém se você aplicar uma força ele cairá, pois a área de contato com o solo é menor que o comprimento, não favorecendo um bom equilíbrio.

E o que isso tem a ver com os materiais? Primeiramente vamos pensar no exemplo da garrafa de cerveja na geladeira.

Na fabricação da cerveja é adicionado gás carbônico (CO2), que aumenta a pressão dentro da garrafa. A pressão e as baixas temperaturas fazem com que uma quantidade maior de gás carbônico permaneça no líquido. Com temperaturas pouco abaixo de 0º, a bebida encontra-se em um estado bem instável e qualquer alteração de temperatura é suficiente para congelá-la, então quando tocamos na garrafa causamos um desequilíbrio em seu interior. O calor faz com que mais gás carbônico dissolvido na cerveja passe do estado líquido para o gasoso. Isso reduz ainda mais a temperatura da bebida. Um único cristal se forma, e vai dando origem a muitos outros, que originam outros… transformando toda água em gelo. Sacas?

Essa mudança de fase chamamos de metaestável, esse tipo de sistema é aparentemente estável, é um sistema “delicado”. Quando ocorre uma perturbação externa o sistema metaestável sofre uma alteração.

Estado de equilíbrio

Notem na imagem abaixo, temos um bloco apoiado completamente no piso, ao contrário do que ocorre no bloco que mencionei acima, se você aplicar uma força ele não irá cair.

E o que isso quer dizer em relação a microestrutura dos materiais? Suas propriedades e características não mudaram com o tempo, e no diagrama de fases, são representadas por letras gregas.

Vamos praticar nos exercícios?

Expandir

Exercício Resolvido #1

Elaboração própria

Defina estado metaestável.

MOSTRAR SOLUÇÃO COMPLETA

Passo 1

É um sistema no qual o equilíbrio nunca é completamente atingido. Esse tipo de sistema é aparentemente estável, sendo considerado um sistema mais delicado.

Resposta

Sistema no qual o equilíbrio nunca é atingido.

Exercício Resolvido #2

Elaboração própria

Sobre a estabilidade microestrutural preencha as lacunas da afirmação a seguir:

A estabilidade da microestrutura em uma condição ___________ depende do ___________ que a estrutura se encontra em relação a essa condição.

  1. Equilíbrio e sistema microestrutural
  2. Termodinâmica e estado de equilíbrio
  3. Equilíbrio e tempo
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Passo 1

Termodinâmica

Passo 2

Estado de equilíbrio

Resposta

Alternativa B

Exercício Resolvido #3

Elaboração própria

Os materiais podem apresentar um dos seguintes estados de equilíbrio:

  1. Equilíbrio instável, estável e nulo
  2. Equilíbrio instável, nulo e metaestável
  3. Equilíbrio instável, estável e metaestável
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Passo 1

Equilíbrio instável

Passo 2

Equilíbrio estável

Passo 3

Equilíbrio metaestável

Resposta

Alternativa C

Exercício Resolvido #4

Elaboração própria

Abaixo tem-se uma representação gráfica da variação de energia livre durante uma transformação de fase. Sucintamente explique a imagem abaixo.

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Passo 1

A figura mostra a variação de energia livre com a evolução da reação para a transformação que leva a um sistema de equilíbrio metaestável para o equilíbrio estável. De início é dada uma energia que leva o sistema do estado metaestável para o estado instável e posteriormente até o estado estável, reduzindo assim a energia empregada.

Resposta

A figura mostra a variação de energia livre com a evolução da reação para a transformação que leva a um sistema de equilíbrio metaestável para o equilíbrio estável.

Exercício Resolvido #5

Elaboração própria

Correlacione a coluna da esquerda com a da direita:

  1. Equilíbrio estável ( ) Transformação é totalmente espontânea
  2. Equilíbrio metaestável ( ) Nenhuma transformação espontânea é possível
  3. Equilíbrio instável ( ) É necessária uma energia de ativação.
  1. 2,1 e 3
  2. 3,2,1
  3. 3,1,2
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Passo 1

Equilíbrio estável: Equilíbrio estável

Passo 2

Equilíbrio metaestável: É necessária uma energia de ativação.

Passo 3

Equilíbrio instável: Transformação é totalmente espontânea

Resposta

Alternativa C

Exercício Resolvido #6

Elaboração própria

Diferencie os diagramas quanto ao seu equilíbrio e justifique sua resposta:

MOSTRAR SOLUÇÃO COMPLETA

Passo 1

  1. Diagrama metaestável b) diagrama estável

A principal diferença entre os diagramas como pode ser observado é a decomposição da Fe3C (6,7% C) em ferro e carbono (em forma de grafita) no diagrama metaestável.

Resposta

  1. Diagrama metaestável
  2. Diagrama estável

Exercício Resolvido #7

Elaboração própria

A imagem abaixo é uma representação do equilíbrio termodinâmico, explique e correlacione o que acontece em cada numeração:

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Passo 1

Representação unidimensional de um sistema com um estado metaestável (1), um estado instável (2) e um estado estável (3). A bolinha é assumida estática em cada um dos pontos indicados. No eixo vertical tem-se a altura, diretamente relacionada à energia potencial do sistema - que corresponde, no caso representado, à energia total do sistema - e na horizontal, a posição espacial da bolinha ao longo da rampa.

Resposta

Estado metaestável (1), estado instável (2) e estado estável (3).

Exercício Resolvido #8

Elaboração própria

A seguir tem-se um gráfico representando a variação da energia em função da temperatura parar as diferentes fase do metal. Explique o que ocorre.

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Passo 1

Quando o material é aquecido a partir da temperatura ambiente, acima da Tf a energia livre do sólido é maior que a do liquido, o que pode ser a tendência a transformação do sólido em liquido para que seja alcançado um estado de equilíbrio termodinâmico. Mas se o material é resfriado abaixo da Tf a energia livre do liquido é maior que a do sólido, ocorrendo a transformação do liquido no sólido.

Resposta

Quando o material é aquecido a partir da temperatura ambiente, acima da Tf a energia livre do sólido é maior que a do liquido, o que pode ser a tendência a transformação do sólido em liquido para que seja alcançado um estado de equilíbrio termodinâmico. Mas se o material é resfriado abaixo da Tf a energia livre do liquido é maior que a do sólido, ocorrendo a transformação do liquido no sólido.

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