Física do ensino fundamental · Grades 1–9

21Fusão e ebulição: as mudanças de estado

Você já sabe há anos que o calor derrete o gelo e ferve a água. Mas agora você tem um termômetro — e o termômetro tem uma coisa espantosa a relatar de dentro do balde de gelo derretendo: enquanto o gelo derrete, a temperatura se recusa a sair do lugar. Vamos olhar as velhas mudanças de estado com olhos novos.

21.1 Os nomes de gente grande

As mudanças de estado da água agora ganham os seus nomes de gente grande, que valem para qualquer material, e não só para a água. Do sólido para o líquido: fusão. Do líquido de volta para o sólido: solidificação (também chamada de congelamento). Do líquido para o gasoso: ebulição quando acontece depressa, com bolhas grandes; evaporação quando acontece caladinho, pela superfície. Do gasoso de volta para o líquido: condensação. Todo material do mundo — água, chocolate, ferro, ouro — pode jogar esse jogo, cada um nas suas próprias temperaturas.

Definição 21.1 (Ponto de fusão)

O ponto de fusão de um material é a temperatura em que ele derrete — e também a temperatura em que o líquido se solidifica de volta. Para a água ele é $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Cada material tem o seu: o chocolate derrete perto de $34\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ (a temperatura da boca — não é por acaso, pergunte a qualquer chocolateiro), a cera de vela perto de $60\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , o ferro só a $1538\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ .

Definição 21.2 (Ponto de ebulição)

O ponto de ebulição de um material é a temperatura em que ele ferve. Para a água ele é $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . De novo, cada material tem o seu — e é por isso que uma cozinheira atenta consegue evaporar toda a água enquanto o óleo da mesma panela continua líquido e tranquilo.

Exemplo 21.3 (Ler o mundo com dois números)

Por que uma barra de chocolate é sólida na prateleira ( $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ) e líquida no seu bolso numa trilha de verão ( $35\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ )? Porque o ponto de fusão dela, perto de $34\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , fica entre os dois. Um material é sólido abaixo do ponto de fusão e líquido acima dele — até o ponto de ebulição, em que ele vai embora como gás. Dois números contam a história inteira de qualquer material em qualquer temperatura.

21.2 O termômetro teimoso

Método 21.4 (Ver o gelo derreter direito)

Encha uma tigela de gelo picado ou neve e finque o termômetro ali; espere e leia: $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ;
leve a tigela para a cozinha quente e leia o termômetro a cada poucos minutos enquanto o gelo derrete;
continue lendo até bem depois de a última lasquinha de gelo ter sumido.

O relato: durante toda a fusão — água e gelo juntos na tigela — o termômetro fica teimosamente em $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Só quando o último pedaço de gelo derrete é que a temperatura começa a subir.

Proposição 21.5 (A lei do patamar)

Enquanto um material está mudando de estado — derretendo ou fervendo — a temperatura dele fica parada no marco, por mais que o fogão trabalhe. Todo o calor que chega é gasto na própria mudança de estado, e nada dele em subir. Sólido e líquido convivem no ponto de fusão; líquido e gás, no ponto de ebulição.

Uma panela de gelo num fogão constante, contada pelo termômetro: a temperatura sobe, para em 0\, C enquanto o gelo derrete, sobe de novo e para em 100\, C enquanto a água ferve toda. (A última subida vermelha pertence ao vapor.) — Uma panela de gelo num fogão constante, contada pelo termômetro: a temperatura sobe, para em $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ enquanto o gelo derrete, sobe de novo e para em $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ enquanto a água ferve toda. (A última subida vermelha pertence ao vapor.)

Fervura forte: bolhas de vapor de água se formam dentro do líquido e estouram na superfície — e o tempo todo o termômetro fica parado no ponto de ebulição.

Exemplo 21.6 (O patamar na cozinha)

É por isso que uma água fervendo devagar e uma água fervendo furiosa cozinham macarrão na mesma velocidade: as duas panelas estão exatamente a $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ — a furiosa só desperdiça o calor extra fazendo vapor mais depressa. E é por isso que uma bebida com cubos de gelo fica a $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ até a última lasquinha: o gelo que derrete prende a temperatura no marco.

Observação 21.7 (Um número que o olho não vê)

Sem um termômetro, ninguém adivinharia o patamar: a panela parece cada vez mais agitada, o balde de gelo parece cada vez mais calmo, e a temperatura dos dois fica firme como pedra. É mais uma vitória do medir sobre o parecer — e uma das primeiras grandes surpresas que os instrumentos entregaram à ciência.

21.3 Cada material guarda os seus marcos

Proposição 21.8 (Os marcos são marcas de identidade)

O ponto de fusão e o ponto de ebulição de um material puro nunca mudam: a água derrete a $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ hoje, amanhã, num palácio ou numa barraca. Os marcos fazem parte da identidade do material — tão bem guardados que um cientista consegue reconhecer um material desconhecido medindo onde ele derrete e ferve.

Exemplo 21.9 (A vela e a fundição)

Uma vela perto da lareira entorta e pinga: a cera passou do ponto de fusão dela, perto de $60\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Numa fundição, os trabalhadores despejam ferro líquido alaranjado como se fosse sopa — o forno deles passou de $1538\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Mesmo jogo, marcos loucamente diferentes: o que a lareira faz com a cera, só um forno faz com o ferro. E o ouro derrete a $1064\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : os ourives conhecem esse número, nas mãos se não em graus, há milhares de anos.

Marcos de alguns materiais do dia a dia, em graus Celsius (a linha está comprimida — a marca do ferro fica de verdade quinze vezes mais longe que a da água). Cada material carrega os próprios números, sempre.

21.4 Exercícios

Exercício 21.1 ★

Diga o nome de gente grande: do sólido para o líquido; do líquido para o sólido; do líquido para o gasoso com bolhas grandes; do gasoso para o líquido numa janela fria.

Solução

Solução de Exercício 21.1.

Fusão; solidificação (congelamento); ebulição; condensação.

Exercício 21.2 ★

Quais são os dois marcos da água, com as suas temperaturas? E o ponto de fusão do chocolate, mais ou menos?

Solução

Solução de Exercício 21.2.

Ponto de fusão $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , ponto de ebulição $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . O chocolate derrete perto de $34\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ — a temperatura da boca.

Exercício 21.3 ★

Uma tigela tem gelo e água juntos, bem mexidos. Quanto o termômetro marca? Quanto ele vai marcar cinco minutos depois, se ainda sobrar gelo?

Solução

Solução de Exercício 21.3.

$0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ — e ainda $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ cinco minutos depois: enquanto gelo e água convivem, a temperatura fica presa ao ponto de fusão.

Exercício 21.4 ★

Enuncie a lei do patamar. Para onde vai o calor do fogão enquanto a água ferve, já que a temperatura não sobe mais?

Solução

Solução de Exercício 21.4.

Enquanto um material derrete ou ferve, a temperatura dele fica parada no marco. O calor é todo gasto na própria mudança de estado — transformar líquido em vapor — e nada dele em subir.

Exercício 21.5 ★

A cera derrete perto de $60\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Uma vela está sólida ou líquida: numa sala a $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ? ao lado de uma chama que a aquece a $80\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ? num sótão de verão a $35\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ?

Solução

Solução de Exercício 21.5.

Sólida a $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ (abaixo de $60$ ); líquida a $80\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ (acima de $60$ ); ainda sólida a $35\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ — embora uma barra de chocolate no bolso já tivesse derretido nessa temperatura.

Exercício 21.6 ★

O macarrão cozinha numa água fervendo devagar. O pai põe a chama no máximo e a panela passa a ferver furiosamente. A água agora está mais quente? O que o calor extra produz no lugar disso?

Solução

Solução de Exercício 21.6.

Não fica mais quente: as duas panelas estão a $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , o patamar da ebulição. O calor extra só produz vapor mais depressa — chama desperdiçada, mesmo macarrão.

Exercício 21.7 ★

No gráfico do patamar deste capítulo, como você identifica as duas mudanças de estado sem ler uma única palavra?

Solução

Solução de Exercício 21.7.

Pelos dois trechos horizontais — os patamares. Onde a curva ficar plana enquanto o fogão continua aquecendo, há uma mudança de estado em andamento.

Exercício 21.8 ★

O ferro derrete a $1538\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ e o ouro a $1064\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Um forno trabalha a $1200\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : qual dos dois metais escorre como sopa nele, e qual continua sólido? Por quantos graus o forno fica aquém do outro?

Solução

Solução de Exercício 21.8.

O ouro ( $1064 < 1200$ ) escorre; o ferro ( $1538 > 1200$ ) continua sólido. O forno fica aquém do marco do ferro por $1538 - 1200 = 338$ graus.

Exercício 21.9 ★

Por que uma bebida com cubos de gelo fica igualmente gelada até a última lasquinha de gelo — e só então começa a esquentar?

Solução

Solução de Exercício 21.9.

O gelo que derrete prende a bebida em $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : todo o calor que chega é gasto derretendo gelo, e nada dele em aquecer a bebida. Só quando a última lasquinha some é que a temperatura pode começar a subir.

Exercício 21.10 ★★

Uma cientista recebe um sólido branco desconhecido. Ela descobre que ele derrete exatamente a $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ e que o líquido dele ferve exatamente a $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Qual é o melhor palpite dela sobre o material — e qual lei permite que os marcos sirvam de carteira de identidade?

Solução

Solução de Exercício 21.10.

O melhor palpite dela: o material é gelo — água congelada. A lei de que os marcos são marcas de identidade: os pontos de fusão e de ebulição de um material puro nunca mudam, então bater exatamente com os dois números da água vale como uma assinatura.

Exercício 21.11 ★★

Montanhistas contam que, lá no alto dos grandes picos, a água ferve estando só um pouquinho quente demais para se tocar — e o chá deles nunca fica bom. Que certeza do dia a dia sobre a água fervendo deixa de valer lá em cima? (O motivo se esconde no próprio ar, e um capítulo mais adiante sobre a pressão do ar vai pegá-lo.)

Solução

Solução de Exercício 21.11.

A certeza de que a água sempre ferve a $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Lá no alto de um pico ela ferve bem abaixo disso — quente, mas não a $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ — e por isso a água “fervendo” é fria demais para preparar um chá direito. O culpado é o ar mais rarefeito, apertando menos a água, como o capítulo da pressão do ar vai mostrar.

Termos definidos neste capítulo

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