O que são vidros? Explique a diferença entre um vidro e um sólido cristalino com base na variação do volume específico em função da temperatura.

Passo 1

O enunciado pergunta “o que são vidros” e pede para compararmos o comportamento de um vidro amorfo com o de um sólido cristalino olhando para a variação do volume específico v em função da temperatura T. O conteúdo aqui é a transição vítrea e como ela difere de uma transição de fase de um cristal.

Passo 2

Vamos primeiro entender o sólido cristalino. Num cristal puro, abaixo do ponto de fusão T_m, o volume específico cresce quase linearmente com a temperatura, pois a dilatação térmica é descrita por
v_{\text{crist}}(T)\approx v_0\Bigl[1+\alpha_{\text{crist}}\bigl(T-T_0\bigr)\Bigr],
onde v_0 é o volume específico num estado de referência T_0 e \alpha_{\text{crist}} é o coeficiente de expansão térmica do cristal. Ao atingir T_m, ocorre uma descontinuidade em v: o sólido funde e passa a líquido, mostrando um salto no volume específico característico de transição de primeira ordem.

Passo 3

Agora considere um líquido que vem sendo resfriado. Se o resfriamento for lento, ele cristaliza em T_m e segue o caso acima. Se for rápido ou se não houver um arranjo cristalino estável, forma-se um líquido super--resfriado que, ao chegar a uma temperatura chamada de T_g (temperatura de transição vítrea), deixa de conseguir relaxar estruturalmente. Acima de T_g, o volume específico do líquido super--resfriado cai com temperatura com um coeficiente \alpha_{\text{liq}} maior (mais expansível). Abaixo de T_g, a estrutura “congela” e passa a exibir um coeficiente menor \alpha_{\text{vidro}}\approx\alpha_{\text{crist}}.

Passo 4

O resultado prático é que o gráfico de v versus T para um vidro não tem salto brusco em T_g, mas uma mudança de inclinação:
\text{para }T>T_g:\quad v(T)\text{ cai mais rápido (}\alpha_{\text{liq}}\text{ grande)}á
\text{para }T<T_g:\quad v(T)\text{ cai mais devagar (}\alpha_{\text{vidro}}\text{ pequeno)}
Dessa forma, a transição vítrea é uma transição de segunda ordem ou cinética: não há quebra de fase bem definida, mas sim um “congelamento” gradual da estrutura.

Passo 5

Portanto, a grande diferença é que um sólido cristalino passa por uma transição de fase de primeira ordem em T_m, com descontinuidade em v, enquanto um vidro (sólido amorfo) apresenta apenas uma mudança de inclinação contínua em v(T) na sua transição vítrea T_g, indicando que ele é um líquido congestionado que perdeu mobilidade estrutural sem reorganizar-se em rede cristalina.

Resposta

Vidros são sólidos amorfos obtidos quando um líquido é resfriado sem cristalizar, de modo que sua estrutura fica “congelada” fora do equilíbrio. Comparado a um cristal, um vidro não exibe salto brusco no volume específico ao resfriar; em vez disso, em torno de T_g ele apresenta somente uma mudança de inclinação na curva v versus T, refletindo a transição vítrea, que é de natureza cinética e não de primeira ordem.

Exercícios relacionados