Um sistema fechado formado por 20,0 g de água pura a 100^circ C e 1,00 atm, no qual líquido e vapor coexistem em equilíbrio termodinâmico. Qual será o efeito macroscópico do processo acima, ou seja, o que ocorrerá com o volume relativo das duas fases?

Passo 1

Beleza, vamos recapitular: temos um sistema fechado com 20,0 g de água pura a 100 °C e 1,00 atm, em que líquido e vapor estão em equilíbrio (ou seja, parte da água está líquida e parte está no vapor).
Conteúdo da matéria: termodinâmica de mudanças de fase (ponto de ebulição, calor latente, equilíbrio líquido–vapor) e como isso afeta o volume.
O que vamos precisar:
  1. Entender que, a 100 °C e 1 atm, a água ferve e toda energia extra (calor) entra como calor latente de vaporização, não elevando mais a temperatura.
  2. Saber que o volume específico do vapor é muito maior que o do líquido.

Passo 2

Teoria da mudança de fase a pressão constante
Quando a água está à temperatura de ebulição (100 °C a 1 atm), se eu forneço calor extra ao sistema, essa energia vai para o calor latente de vaporização Q = m , Lv . Ou seja, não muda a temperatura, e sim converte água líquida em vapor. A equação fundamental é:
onde
é o calor fornecido,
é a massa que se vaporiza,
(calor latente da água).

Passo 3

Relação entre volumes
Cada grama de água líquida que evapora ganha um volume enorme, porque o volume específico do vapor vfapprox 0,0010;m^3/kg, vgapprox 1,672;m^3/kg é milhares de vezes maior que o do líquido Vtotal = ml[(1-x),vf ;+; x,vgr] .
Por exemplo, a 100 °C e 1 atm:
Quando “x” fração mássica vira vapor, o volume total do sistema passa a ser
Como , mesmo um pequeno aumento em (massa que evapora) causa grande aumento em , e o volume ocupado pelo vapor cresce muito mais que o volume ocupado pelo líquido diminui.

Passo 4

Conclusão qualitativa
– Se eu continuar fornecendo calor (mesmo mantendo 100 °C e 1 atm), mais água líquida vira vapor.
– Logo, o volume relativo da fase vapor aumenta e o volume relativo da fase líquida diminui.
– O sistema expande principalmente em volume de vapor, pois o vapor ocupa muito mais espaço que o líquido.

Resposta

Conforme a água ferve a 100 °C e 1 atm e recebe calor, a fase vapor vai aumentando seu volume à custa da fase líquida. Ou seja, o volume relativo do vapor cresce e o do líquido diminui.

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