O
gelo
e o estado solido da
agua
A
solidificacao
e a
transicao de fase
na qual uma substancia passa de seu
estado liquido
para
solido
quando a sua
temperatura
diminui para baixo do
ponto de solidificacao
. O processo inverso designa-se como
fusao
e ocorre no
ponto de fusao
. Na maioria das substancias, o ponto de solidificacao e o ponto de fusao sao os mesmos. A passagem direta do
estado gasoso
para o estado solido e chamada de
sublimacao
.
A solidificacao ocorre devido a perda de
energia cinetica
das particulas que compoem a substancia durante o processo de resfriamento.
Variacao do ponto de congelamento da agua com a pressao
A passagem para o estado solido e feita mediante a retirada de uma quantidade de
calor
da substancia. O calor liberado durante a troca de fase depende da massa a ser solidificada e de uma propriedade especifica de cada materia, o
calor latente
de solidificacao:
onde
Q
e o calor liberado,
m
a massa e
L
o calor latente de solidificacao. No
SI
, o calor e medido em
joules
, a massa em
quilogramas
e o calor latente em joules por quilograma.
Caso a substancia seja pura ou uma
mistura eutetica
(como uma
liga metalica
, por exemplo, que se comporta como uma so fase), a temperatura permanece constante durante a mudanca de fase. Este fato e usado, inclusive, para a determinacao do grau de pureza de uma substancia.
[
1
]
O ponto de congelamento de uma substancia pura e geralmente maior do que o de uma amostra impura.
Pode-se provar que:
No ponto de congelamento, como ha liberacao de calor, o processo e exotermico e a
entalpia
diminui (Δ
H
< 0). Ja que a temperatura permanece constante, a
entropia
tambem diminui (Δ
S
< 0). A diminuicao da entropia pode ser confirmada observando que a substancia torna-se mais "ordenada" no estado solido. O processo de solidificacao ocorre quando a
Energia Livre de Gibbs
(
G
)para o solido fica menor do que o liquido para aquele material.
A solidificacao e pouco sensivel a mudancas na pressao, mas geralmente essa sensibilidade e menor do que para a
liquefacao
ou
ebulicao
, visto que a transicao solido-liquido apresenta uma infima mudanca no
volume
. Esta relacao e expressa na Relacao de Clausius-Clapeyron:
[
2
]
onde
dP
/
dT
e a inclinacao na curva de coexistencia,
L
o calor latente,
T
a temperatura e Δ
v
a variacao no volume.
Se, como observado na maioria dos casos, uma substancia e mais densa no estado solido do que no liquido, o ponto de congelamento diminui com o aumento da pressao. Caso contrario, ocorre que a substancia se liquefaz com o aumento na pressao, como, por exemplo, na agua.
O chamado de
comportamento anomalo da agua
pode ser analisado no grafico de mudanca de fase. A curva de coexistencia solido-liquido, onde ambas as fases ocorrem, tem inclinacao negativa. Partindo de um ponto do lado solido da curva e mantendo-se a temperatura constante, pode-se liquefazer a agua aplicando um aumento na pressao. Isto ocorre, por exemplo, na
patinacao no gelo
: as laminas dos patins, por terem baixa
area de contato
com o gelo, aumentam a pressao no local e liquefazem-no, permitindo um melhor deslizar pela pista. Logo apos a passagem do patinador, a pressao volta ao normal e a agua torna a se solidificar, fenomeno chamado de
regelo
.
A maioria dos liquidos congela por meio da formacao de um solido cristalino a partir do liquido uniforme. A cristalizacao consiste de duas etapas principais:
nucleacao
e crescimento dos cristais. Na nucleacao, as moleculas comecam a se agrupar em
clusters
de escala
nanometrica
em uma forma ordenada e periodica que define a
estrutura cristalina
do solido. Durante o crescimento dos cristais, os nucleos se desenvolvem ate o tamanho critico do cluster.
Pontos de fusao (em azul) e de ebulicao (em rosa) dos oito primeiros
acidos carboxilicos
(°C)
Para a maioria das substancias, o ponto de fusao e de congelamento sao aproximadamente iguais. Por exemplo, ambos os pontos de fusao e de congelamento do elemento
mercurio
sao 234,32 K. Entretanto, algumas substancias possuem temperaturas de transicao solido-liquido diferentes. Por exemplo,
agar-agar
funde aos 85 °C e solidifica entre 31 e 40 °C; tal dependencia do sentido da transicao e conhecida como
histerese
.
O ponto de fusao do gelo a uma
atmosfera
de pressao e muito proximo de 0 °C.
[
3
]
O elemento quimico com o maior ponto de congelamento e o
tungstenio
(3 683 K) e por causa dessa peculiaridade e amplamente utilizado como filamento em
lampadas incandescentes
. O
carbono
e frequentemente citado - erroneamente - como o elemento com o maior ponto de fusao, porem, em pressao ambiente, o mesmo nao chega a fundir e sublima a 4 000 K; somente ha carbono liquido em pressoes da ordem de 10
MPa
e entre 4 300-4 700 K. Analisando o outro extremo da escala de temperatura, o
helio
nao congela nem ao atingir o
zero absoluto
; pressoes 20 vezes maiores do que a atmosfericas sao necessarias.
Referencias
Pires, Denise Prazeres Lopes; Julio Carlos Afonso (2006).
≪A termometria nos seculos XIX e XX≫
(PDF)
.
Revista Brasileira de Ensino de Fisica
.
28
(1): 101-114