Em que fase (sólida ou líquida) estará a água misturada no equilíbrio térmico? Se ela se encontrar em uma fase mista, qual a quantidade de água em cada uma das fases?
Passo 1
Beleza, vamos lá! O exercício pergunta em que fase (sólida ou líquida) a água vai estar quando estiver no equilíbrio térmico. Se ela estiver numa fase mista, também quer saber quanto de água está em cada fase. Vamos usar conceitos de termodinâmica e mudanças de fase pra resolver isso.
Passo 2
Primeiro, precisamos entender o que é equilíbrio térmico. Quando duas substâncias estão em equilíbrio térmico, significa que elas têm a mesma temperatura e não há fluxo de calor entre elas. No caso da água, isso nos leva a considerar as temperaturas de fusão e congelamento.
Passo 3
A água pura congela a 0°C sob pressão atmosférica padrão. Se a temperatura da água misturada está acima de 0°C, ela estará na fase líquida. Se estiver abaixo de 0°C, estará na fase sólida (gelo).
Passo 4
Agora, se a água estiver exatamente a 0°C, ela pode coexistir nas duas fases: sólida e líquida. Isso acontece porque a água pode estar parcialmente congelada e parcialmente líquida ao mesmo tempo nesse ponto de equilíbrio.
Passo 5
Para determinar a quantidade de água em cada fase quando está em equilíbrio térmico a 0°C, usamos o princípio da conservação da massa. A massa total da água será distribuída entre a fase sólida e a líquida.
Passo 6
Vamos supor que temos uma massa total de água
. A massa na fase sólida será
e na líquida será
. Então, temos:
Se tivermos mais informações, como a quantidade de calor envolvida na fusão ou congelamento, poderíamos calcular
e
usando a equação de calor latente:
onde
é o calor latente de fusão da água.
Resposta
A água estará em fase mista, ou seja, parcialmente sólida e parcialmente líquida. A quantidade de água em cada fase dependerá da massa total e da quantidade de calor envolvida, podendo ser determinada pelas equações
e
.