Descrever um típico diagrama de fases mostrando os pontos principais. No caso da água, qual é a principal diferença no diagrama de fases quando comparado com um diagrama comum? Explique. (Não é do Brown)

Passo 1

O enunciado pede para descrever um diagrama de fases típico—isto é, o gráfico de pressão versus temperatura que mostra as regiões de sólido, líquido e gás, bem como as curvas de equilíbrio de fase e pontos especiais (ponto triplo e ponto crítico). Em seguida, precisamos destacar qual diferença essencial aparece no diagrama de fases da água em relação a um diagrama “comum” de outras substâncias.

Passo 2

Num diagrama de fases típico represente-se no eixo horizontal a temperatura T e no eixo vertical a pressão P. Observam-se três regiões bem definidas:
\bullet Região de sólido: em geral à esquerda e em altas pressões/baixas temperaturas.
\bullet Região de líquido: em uma faixa intermediária de T e P.
\bullet Região de gás (ou vapor): a baixas pressões e altas temperaturas.
As fronteiras entre essas regiões são:
1. Curva de fusão (sólido–líquido).
2. Curva de vaporização (líquido–vapor).
3. Curva de sublimação (sólido–vapor).
O ponto onde as três curvas se encontram é o ponto triplo, que define as únicas condições (P_{\text{triplo}},T_{\text{triplo}}) em que as três fases coexistem em equilíbrio. Além disso, a curva de vaporização termina no ponto crítico (P_c,T_c), acima do qual não há distinção entre líquido e vapor.

Passo 3

Para entender cada curva e cada região:
  • A curva de sublimação separa sólido de vapor; abaixo dela a substância só existe como sólido ou vapor.
  • A curva de fusão separa sólido de líquido; cruzando-a a substância passa de sólido para líquido ou vice-versa.
  • A curva de vaporização separa líquido de vapor; cruzando-a ocorre ebulição ou condensação.
  • O ponto triplo é o único ponto de coexistência simultânea das três fases.
  • O ponto crítico marca o fim da curva líquido–vapor e define a condição além da qual o fluido é supercrítico, não distinguindo fases líquida e gasosa.

Passo 4

No caso da água, a principal diferença é que a curva de fusão (sólido–líquido) tem inclinação negativa no diagrama P \times T. Em substâncias “comuns” essa curva costuma ter inclinação positiva, indicando que o aumento de pressão eleva o ponto de fusão. Pela equação de Clapeyron,
\frac{dP}{dT}=\frac{\Delta S}{\Delta V},
e como para a fusão \Delta S>0 sempre, o sinal de dP/dT é o mesmo de \Delta V. Na água, o gelo é menos denso que a água líquida, ou seja, \Delta V=V_{\text{líq}}-V_{\text{sól}}<0íó. Assim, \frac{dP}{dT}<0, gerando a inclinação negativa da linha de fusão.

Resposta

Num diagrama de fases típico temos as regiões de sólido, líquido e vapor, as curvas de equilíbrio (fusão, vaporização e sublimação), o ponto triplo e o ponto crítico. Para a água, a diferença essencial é que a curva de fusão inclina-se para a esquerda (inclinação negativa) devido ao fato de o gelo ser menos denso que a água líquida.

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