A água pode se apresentar, dependendo da temperatura e pressão, como gelo, líquido e vapor. Conhecendo o calor específico e os dois calores de transformação da água em condições de 1 atm de pressão:
Pede-se:
Qual a quantidade de calor
, em calorias, necessário para transformar um cubo de gelo, massa de 250 g , inicialmente em
, em vapor à
.
Qual a quantidade de calor
Passo 1
O enunciado dá os seguintes dados (vou listar exatamente o que foi informado):
- Calor específico:
. - Calor latente de fusão:
. - Calor latente de vaporização:
. - Massa do bloco de gelo:
. - Temperatura inicial:
. - Temperatura final:
.
O que se pede:
- Calcular a quantidade total de calor
(em calorias) necessária para transformar o gelo de massa em vapor à .
Informação importante para planejar mentalmente as etapas (não é a resolução ainda, só o que acontece fisicamente):
- O processo envolve, em sequência, os passos: aquecer o gelo de
até ; fundir o gelo a ; aquecer a água líquida de até ; vaporizar a água a ; aquecer o vapor de até .
Passo 2
Fórmula para calor sensível (quando a substância muda só de temperatura, sem mudar de fase):
onde
-
é o calor ganho (em calorias), -
é a massa (em gramas), -
é o calor específico (em ), -
é a variação de temperatura ( , em ).
Aplicando para aquecer o gelo de
até
:
Explicação rápida: essa é a energia necessária apenas para aumentar a temperatura do gelo sem mudá-lo para água.
Passo 3
Fórmula para calor latente (quando ocorre mudança de fase a temperatura constante):
onde
-
é o calor latente (em ), valor depende do tipo de mudança de fase.
Para fundir o gelo a
(gelo
água líquida), usa-se
:
Explicação: durante a fusão a temperatura não muda; toda energia vai em quebrar ligações intermoleculares para passar ao estado líquido.
Passo 4
Agora aquecer a água líquida de
até
. Usa-se novamente a fórmula do calor sensível
.
Explicação: aqui a água absorve calor aumentando sua temperatura até o ponto de ebulição.
Passo 5
Vaporização da água a
(água líquida
vapor). Usa-se o calor latente de vaporização
:
Comentário: a vaporização demanda muita energia porque é preciso romper fortemente as ligações e fornecer energia para transformar em vapor.
Passo 6
Aquecimento do vapor de
até
: novamente calor sensível
.
Explicação: agora o vapor, já no estado gasoso, ganha temperatura; usamos o mesmo
fornecido no enunciado.
Passo 7
Somando todas as parcelas de calor absorvidas em cada etapa obtemos a energia total necessária. Escrevendo a soma com os valores calculados:
(nesta etapa estão apresentados todos os termos que compõem
; o valor numérico final está na seção de resposta).