Construa o gráfico de mudança de estado físico de 1 kg de água no estado gasoso a
para água sólida a
. Considere as condições de pressão ao nível do mar. Dados: calor específico da água no estado sólido
; calor específico da água no estado liguido
; calor específico da água no estado gasoso
; calor latente de fusāo da água
; calor latente de vaporização da água
.
Passo 1
O enunciado pede que eu construa o gráfico da mudança de estado físico de
de água que começa como gás a
e termina como gelo a
, considerando pressão ao nível do mar. Informações dadas (já convertidas para gramas quando necessário porque os dados estão em J/g):
Pontos importantes do processo (na pressão ambiente):
O que eu vou construir: o gráfico temperatura
(eixo vertical) em função do calor retirado cumulativo
(eixo horizontal). Vou calcular o calor retirado em cada etapa e os pontos (valores de
,
) que definem os trechos do gráfico.
Passo 2
Conceitos e fórmulas que vou usar (explicação didática):
- Calor sensível: quando a substância muda de temperatura sem mudar de fase, o calor trocado é dado por
onde
é o calor (em joules),
é a massa (em gramas se
está em J/g·K),
é o calor específico e
é a variação de temperatura em kelvin (que numericamente é igual à variação em graus Celsius).
- Calor latente: quando ocorre mudança de fase a temperatura constante, o calor trocado é
onde
é o calor latente (J/g). Aqui
vale para vaporização/condensação e
para fusão/congelamento.
- Convenção de sinal: vou calcular o calor retirado do sistema (energia que sai da água). Vou apresentar
como valores positivos para “calor removido”. Em cada trecho eu calculo o calor absoluto necessário; no gráfico aumenta para a direita conforme removo mais calor.
Passo 3
Trecho 1 — resfriamento do vapor de
até
(gás quente -> gás mais frio):
Aplicando
:
No gráfico: ponto inicial é
e após este trecho temos
. Entre esses dois pontos a curva é uma linha reta decrescente (temperatura cai linearmente com o calor retirado porque
).
Passo 4
Trecho 2 — condensação do vapor a
(fase gasosa -> líquida) — temperatura constante enquanto ocorre liberação do calor latente:
Cumulativo após condensação:
No gráfico: segmento horizontal (temperatura constante
) que vai de
até
.
Passo 5
Trecho 3 — resfriamento do líquido de
até
:
Aplicando
:
Cumulativo:
No gráfico: segmento inclinado decrescente ligando
a
.
Passo 6
Trecho 4 — congelamento (fusão inversa) a
(líquido -> sólido), temperatura constante:
Cumulativo:
No gráfico: outro segmento horizontal (temperatura constante
) que vai de
até
.
Passo 7
Trecho 5 — resfriamento do sólido de
até
:
Aplicando
:
Cumulativo final:
No gráfico: segmento inclinado decrescente ligando
a
.
Passo 8
Resumo dos pontos-chaves para traçar o gráfico (coloque no eixo horizontal
em joules ou em megajoules para facilitar visualização; 1 MJ
J):
Em unidades de megajoules fica mais compacto:
Passo 9
Instruções práticas para desenhar o gráfico:
- Eixos: horizontal
(Joules ou MJ), vertical (°C). - Marque os pontos listados no Passo 8.
- Ligue os pontos por segmentos:
- Segmento 1 (de
a ): linha inclinada decrescente de a . - Segmento 2 (de
a ): linha horizontal em (condensação). - Segmento 3 (de
a ): linha inclinada decrescente de a . - Segmento 4 (de
a ): linha horizontal em (congelamento). - Segmento 5 (de
a ): linha inclinada decrescente de a .
- Segmento 1 (de
- Observação sobre inclinações: a inclinação dos trechos inclinados é
. Por exemplo, trecho gás: . Trecho líquido é menos inclinado porque é maior.
Resposta
Pontos para traçar o gráfico (formato
com
em joules):
Calor total retirado: