Tem-se observado que quando água líquida é colocada em um frasco, no qual rapidamente se faz um vácuo, parte da água congela antes de ter sido totalmente evaporada. Explique.
Passo 1
O enunciado diz que, ao colocar água líquida num frasco e fazer vácuo rapidamente, observa-se que parte da água congela antes de toda ela evaporar. O conteúdo envolvido é termodinâmica de mudanças de fase: pressão de vapor saturado, calor latente de vaporização e de fusão, e equilíbrio de fases. Vamos usar o conceito de que a pressão externa imposta pelo vácuo fica abaixo da pressão de vapor saturado da água, levando à evaporação seguida de resfriamento e congelamento parcial.
Passo 2
Quando fazemos vácuo, a pressão externa
no frasco cai abaixo da pressão de vapor saturado da água líquida à temperatura inicial. Dessa forma a água inicia a evaporação espontânea. Cada molécula que passa ao vapor retira energia do líquido na forma de calor latente de vaporização,
, e como o sistema está em grande parte isolado, essa perda de energia interna faz a temperatura do líquido cair.
Passo 3
Conforme a temperatura do líquido diminui, a pressão de vapor saturado sobre a água líquida,
, também diminui. A evaporação continua até que a temperatura atinja
, em que
Se
for menor que esse valor, a água líquida continuaria a evaporar e esfriar. Mas, ao passar de
, a fase sólida (gelo) passa a ter pressão de vapor saturado ainda menor,
, e então o sistema favorece a formação de gelo para que a pressão de vapor sobre a nova superfície (gelo) caia até igualar
.
Passo 4
Em outras palavras, parte da água congela porque, abaixo de
, o gelo tem pressão de vapor saturado inferior à da água líquida, e a formação de gelo libera calor latente de fusão
, mas ainda permite que a evaporação (ou sublimação) ajuste a pressão interna ao valor imposto pelo vácuo. O processo prossegue até que o equilíbrio seja tal que
com parte da água transformada em gelo e parte em vapor.
Resposta
A pressão reduzida faz a água evaporar, retirando calor latente de vaporização e esfriando o líquido até abaixo de
. A partir daí, como a pressão de vapor saturado do gelo é ainda mais baixa, parte da água congela para que o sistema alcance o equilíbrio de pressão imposto pelo vácuo.