Curvas de aquecimento

Transformar 135 g de gelo a −15 °C em vapor a 120 °C exige 416 kJ, dos quais 305 kJ são usados só na ebulição.

Coloque um bloco de gelo em um fogão que fornece calor a uma taxa constante e registre sua temperatura. O gráfico da temperatura em função do calor fornecido é uma curva de aquecimento. Ele tem formato de escada. Os trechos inclinados correspondem ao aquecimento em um único estado. Os trechos horizontais correspondem às mudanças de estado. Nesses patamares, a chama continua fornecendo calor, mas o termômetro não muda.

Duas fórmulas

Em um trecho inclinado, o calor aumenta a temperatura. Sua quantidade é dada por q = m c ΔT: massa vezes calor específico vezes variação de temperatura. O calor específico é o calor necessário para aquecer 1 g em 1 °C. Para o gelo, vale 2.09 J/g °C; para a água líquida, 4.18 J/g °C; para o vapor, 1.86 J/g °C. A água líquida precisa de aproximadamente o dobro do calor por grau em comparação com o gelo ou o vapor.

Em um trecho horizontal, o calor muda o estado. A quantidade é dada por q = n ΔH: número de mols vezes entalpia da transformação. Para obter o número de mols, divida a massa pela massa molar, que é 18.02 g/mol para a água. A fusão usa ΔH de fusão, 6.01 kJ/mol. A ebulição usa ΔH de vaporização no ponto de ebulição, 40.67 kJ/mol.

Resolução do exemplo

A tabela segue a OpenStax. As energias de cada etapa são convertidas de joules para quilojoules antes da soma. A OpenStax arredonda cada etapa e informa 416 kJ; somar os valores sem arredondamento dá 415.4 kJ, valor mostrado pelo modelo acima. Observe a diferença entre os números. A ebulição consome quase três quartos do total, mais de cinco vezes os 56.4 kJ necessários para aquecer a água de 0 °C até 100 °C. Na curva, isso corresponde ao longo patamar a 100 °C.

Interpretando as inclinações

Os trechos inclinados não têm a mesma inclinação. Neles, a temperatura sobe q ÷ (m c), então quanto menor o calor específico, mais íngreme a reta. O gelo (2.09 J/g °C) e o vapor (1.86 J/g °C) aquecem aproximadamente duas vezes mais por quilojoule que a água líquida (4.18 J/g °C). No modelo, os trechos do gelo e do vapor são curtos e íngremes, e o da água é longo e suave. Ao mudar a massa, todas as etapas aumentam ou diminuem na mesma proporção. O formato da curva permanece igual; só o eixo do calor se alonga ou encurta.

O mesmo método resolve a pergunta inversa. A OpenStax pergunta quanto calor 94.0 g de água a 80.0 °C liberam ao esfriar, congelar e depois esfriar até −30.0 °C no estado sólido. O resfriamento da água libera 94.0 × 4.18 × 80.0 = 31.4 kJ; a solidificação, 94.0 ÷ 18.02 × 6.01 = 31.4 kJ; e o resfriamento do gelo, 94.0 × 2.09 × 30.0 = 5.9 kJ, totalizando 68.7 kJ.

O que isso ensina na cozinha

Depois que a água da panela começa a ferver, aumentar a chama não a deixa mais quente. A temperatura permanece no ponto de ebulição; o calor extra só faz a água vaporizar mais rápido. Reduzir a chama para manter uma fervura suave cozinha os alimentos à mesma temperatura e economiza combustível. Uma curva de resfriamento percorre a mesma escada ao contrário: o vapor esfria, condensa a 100 °C liberando calor, a água esfria, congela a 0 °C e então o gelo esfria.