1. FÍSICA
DILATAÇÃO E MUDANÇAS DE FASES
1. INTRODUÇÃO
À medida que aumenta a temperatura de um chapa na temperatura T0 área A 0
corpo, aumenta a amplitude e suas agitações ou vi-
brações moleculares e, em conseqüência desse fato, chapa na temperatura T área A
as distâncias médias entre as moléculas aumentam,
alterando as dimensões físicas do corpo, que tem seu
volume aumentado (dilatação). Quando a temperatura 4. DILATAÇÃO VOLUMÉTRICA
do corpo diminui, temos o efeito contrário: a dimi-
nuição do volume (contração). A dilatação volumétrica é diretamente propor-
Veja alguns exemplos: cional ao volume e à variação da temperatura. Por is-
1. Deixam-se pequenos vãos entre os trilhos de so, podemos estabelecer o seguinte esquema:
uma estrada de ferro, para prevenir o aumento do seu
comprimento, nos dias quentes. chapa na temperatura T0 volume V 0
2. As calçadas de cimento não devem ser intei-
riças, pois o cimento se dilata, provocando rachadu-
chapa na temperatura T volume V
ras, por isso, colocam-se ripas de madeira a
intervalos regulares.
3. Ao receber água quente, uma vasilha de vi- 5. LEITURA COMPLEMENTAR
dro pode rachar, pois as camadas internas se dilatam
antes das camadas externas. Dilatação irregular da água
4. Você já deve ter percebido que, quando um A maioria das substâncias, ao ser aquecida, so-
recipiente de vidro está fortemente fechado com tam- fre aumento em seu volume. Outras, no entanto, ao
pa metálica, basta mergulhá-lo na água quente ou serem aquecidas, sofrem redução em seu volume. A
derramar água quente sobre a tampa e ela abrirá fa- água é um exemplo deste comportamento irregular.
cilmente. A tampa de metal dilata-se mais que o vi- Verifica-se experimentalmente que uma certa massa
dro, ficando frouxa. de água, ao ser aquecida de 0°C até 4°C, apresenta
uma redução em seu volume. Após 4°C, a água se di-
2. DILATAÇÃO LINEAR lata normalmente.
Considere uma barra metálica de comprimento Isto ocorre porque, no estado sólido, cada mo-
inicial L0, na temperatura To. Aquecendo-se esta bar- lécula da água se liga a outras quatro através de pon-
ra até a temperatura T, seu comprimento passa a ser tes de hidrogênio. Isso forma uma estrutura
L. A barra sofreu um acréscimo de comprimento ∆L hexagonal semelhante a um favo de mel, com lacunas
= L – L0, quando sua temperatura variou ∆T = T – T0. entre as moléculas. Quando o gelo se funde, esta es-
Esquematizando, temos: trutura se quebra e os espaços vazios começam a ser
preenchidos. A partir de 4ºC, o volume da água vai
aumentando com a temperatura em conseqüência da
L maior energia cinética das moléculas.
T
0 O fato de a água apresentar esse comportamen-
to irregular é muito importante na natureza. É graças
a ele que, nos países onde o inverno é rigoroso, os la-
T
gos e rios se congelam na superfície, enquanto no
L0 fundo permanece água a 4°C, que se deslocou para
esta posição em virtude de sua densidade ser mais e-
3. DILATAÇÃO SUPERFICIAL levada nesta temperatura.
Considere uma chapa metálica de área inicial Aplicações da dilatação
A0 na temperatura T0. Aquecendo-se esta chapa até a Dilatação de uma lâmina bimetálica - lâmina
temperatura T, sua área passa a ser A. A chapa sofreu bimetálica é o conjunto de duas fitas de materiais di-
uma dilatação superficial ∆A = A – A0, quando sua ferentes presas uma à outra. Por exemplo, tome uma
temperatura aumentou ∆T = T − T .
0 fita de zinco e outra de cobre e rebite-as, como na fi-
gura. Aqueça-as com o auxílio de uma chama. O zin-
co se dilatará mais que o cobre e as lâminas se
Editora Exato 8

2. curvarão. Veja, na Tabela 1, que o coeficiente de di- passa aos poucos de uma fase para a outra. É própria
latação linear do zinco é maior que o do cobre. das substâncias cristalinas.
Lâminas como estas podem ser usadas como A fusão do gelo é nítida, porém a da parafina,
reguladores de temperaturas em ferros de engomar, da cera, não é. Enquanto parte do gelo já se fundiu
em estufas, em fornos elétricos e em lâmpadas de (virou água), a outra parte continua sólida. Por outro
pisca-pisca. lado, a parafina vai amolecendo, passa por um estado
pastoso e, em seguida, vai de uma vez para o estado
Cu líquido.
Vaporização é a passagem da substância do
estado líquido para o estado gasoso.
Liquefação é a passagem do gasoso para lí-
quido. É a transformação inversa da vapori-
Zn zação.
Sublimação é a passagem da substância di-
retamente do estado sólido para o gasoso ou
Tensão térmica do gasoso para o sólido.
A tensão térmica nos dá uma explicação para o A experiência mostra que a fusão e a vaporiza-
fato de um copo de vidro grosso comum romper-se ção se processam sempre com recebimento de calor,
ao receber água fervendo em seu interior. Como o vi- sendo, pois, transformações endotérmicas.
dro é mal condutor de calor, as camadas internas dila- Já a solidificação e a liquefação se processam
tam-se mais rapidamente do que as camadas externas. com desprendimento de calor sendo, pois, transfor-
A tensão aí criada provoca a ruptura do vidro. Isso mações exotérmicas.
não acontece com o pirex, pois este possui um coefi- 8. TEMPERATURA DE MUDANÇA DE FASE
ciente de dilatação bem menor que o vidro comum.
Portanto, apresenta uma tensão térmica bem menor A fusão e a solidificação se processam na
também. mesma temperatura, chamada temperatura (ou ponto)
de fusão ou de solidificação (TF). Por exemplo, a á-
6. MUDANÇAS DE FASES gua sob pressão atmosférica normal sempre se funde
A matéria (as substâncias, os elementos etc) e se solidifica a 0°C. A ebulição e a liquefação se
pode apresentar-se em três estados físicos fundamen- processam na mesma temperatura, chamada tempera-
tais: sólido, líquido e gasoso. tura (ou ponto) de ebulição ou de liquefação (TE).
Analisando, de uma maneira muito simples, Por exemplo, a água sob pressão atmosférica normal
sob o ponto de vista físico, podemos dizer que sóli- sempre entra em ebulição e liquefaz a 100°C.
dos são os corpos que apresentam forma e volume Durante a mudança de fase de uma substância
próprios, resistência a esforços de tração, compres- pura à pressão constante, a temperatura permanece
são, cisalhamento etc; já os líquidos têm volume pró- constante.
prio, mas não têm forma própria, tomando a forma do
recipiente que os contém; finalmente, os gases não 9. DIAGRAMAS DE FASE
têm forma própria e nem volume próprio, tomando
sempre a forma e o volume do recipiente em que são P
Para a maioria das substâncias:
colocados. Líquido
Fusão
Os líquidos e os gases, que podem ser chama-
o
çãa
dos indistintamente de fluidos, não apresentam resis-
riz
Sólido
po
tência a esforços de tração e cisalhamento, mas PT
Va
ão Gás
resistem à compressão; os líquidos apresentam gran- aç
m
de resistência à compressão, mas nos gases a resis- bli Vapor
Su
tência é muito pequena. Por isso mesmo, os líquidos
são considerados como incompressíveis e os gases TC T
como compressíveis.
7. DEFINIÇÕES PT = Ponto Triplo → Ponto onde há coexis-
tência dos três estados de agregação em equilíbrio.
Fusão é a passagem de uma substância do
estado sólido para o estado líquido.
Solidificação é a passagem de líquido para
sólido. É a transformação inversa da fusão.
TC = Temperatura Crítica → Temperatura aci-
Fusão (ou solidificação) nítida é aquela em que
ma da qual a substância gasosa não pode ser liquefei-
há a coexistência das fases sólida e líquida. O corpo
Editora Exato 9

3. ta por compressão isotérmica, passando de vapor a
gás.
Para a água:
P Líquido
Vaporização
Fu
sã o
Sólido
ão P T Gás
aç Vapor
b lim
Su 11. PRESSÃO X TEMPERATURA DE E-
T BULIÇÃO
Um aumento da pressão sobre um líquido fará
10. PRESSÃO X TEMPERATURA DE FU- com que o ponto de ebulição aumente. Assim, no alto
SÃO do Everest, a água sofre ebulição abaixo de 100°C e
dentro de uma panela de pressão, acima de 100°C.
Na maioria das substâncias, o aumento de
A tabela ilustra a temperatura de ebulição da
pressão acarreta aumento na temperatura de fusão.
água em algumas cidades.
Na água, um aumento de pressão diminui a
Cidade Temperatura de
temperatura de fusão.
ebulição (C°)
A fusão de um material sólido puro obedece a
La Paz 87°
dois princípios básicos:
A uma dada pressão, todo o material sofre Quito 90°
fusão a uma temperatura determinada. Brasília 96°
Não havendo variação de pressão, a tempe- São Paulo 98°
ratura de fusão se mantém constante. Rio de Janeiro 100°
Vamos estudar a influência da pressão na tem-
ESTUDO DIRIGIDO
peratura de fusão das substâncias em duas partes: pa-
ra a maioria das substâncias e para a água. 1 Por que existem pequenos vãos entre os trilhos
A maioria das substâncias ao sofrer fusão sofre de ferro?
expansão (aumenta de volume). Para tais substâncias,
o aumento da pressão acarreta um aumento da tempe-
ratura de fusão. A água faz exceção à regra, pois ao 2 Quando um pedreiro faz uma calçada, ele costu-
sofrer fusão ela sofre contração (diminui de volume), ma deixar ripas de madeira entre os blocos de
para a água um aumento de pressão leva a uma redu- cimento. Por que ele faz isso?
ção da temperatura de fusão.
Experiência de Tyndall 3 O que acontece com a temperatura de uma subs-
Considere um bloco de gelo numa temperatura tância pura durante uma mudança de fase?
inferior a 0°C. Se passarmos sobre o bloco de gelo
um fio fino de metal com dois pesos de alguns quilo-
gramas nas extremidades, o acréscimo de pressão nos 4 Qual a influência da pressão durante a fusão da
pontos de contato do fio com o gelo diminui a tempe- maioria das substâncias? E do gelo?
ratura de fusão e provoca o derretimento do gelo sob
o fio. Nas regiões em que o fio já atravessou o bloco,
a água, livre de pressão do fio volta a se congelar (re- EXERCÍCIOS
gelo).
Desta forma, o fio de metal atravessa o bloco 1 (PUC) Uma porca está muito apertada no parafu-
de gelo sem que haja rompimento deste. so. O que você deve fazer para afrouxá-la?
a) é indiferente esfriar ou esquentar a porca.
b) esfriar a porca.
c) esquentar a porca.
d) é indiferente esfriar ou esquentar o parafuso.
e) esquentar o parafuso.
Editora Exato 10

4. 2 (FURG-RS) Uma chapa metálica tem um orifí- 6 Na panela de pressão:
cio circular, como mostra a figura, e está a uma a) a água ferve mais rapidamente, a menos de
temperatura de 10ºC. A chapa é aquecida até uma 100ºC, acelerando o cozimento dos alimentos.
temperatura de 50ºC. Enquanto ocorre o aqueci- b) a água atinge temperaturas acima de 100ºC
mento, o diâmetro do orifício: sem ferver, acelerando o cozimento dos ali-
a) aumenta continuamente. mentos.
b) diminui continuamente. c) a água ferve a 100ºC e a grande pressão interna
c) permanece inalterado. acelera o cozimento dos alimentos.
d) aumenta e depois diminui d) a temperatura interna é menor que nas panelas
e) diminui e depois aumenta. comuns.
3 Baseado no gráfico e em seus conhecimentos, 7 Se, para uma dada temperatura constante e menor
julgue os itens: que a temperatura do ponto triplo, a pressão da
água líquida é diminuída, que transformação se
Pessão espera que ocorra com a água?
B.
A. a) Vaporização. b) Sublimação.
c) Condensação. d) Fusão.
C.
e) Solidificação.
Temperatura
GABARITO
1 O gráfico representa o diagrama de fases da
água.
Estudo dirigido
2 O ponto A representa o estado sólido.
3 O ponto B representa o estado gasoso. 1 Para que os trilhos possam se dilatar em dias
4 O ponto A representa o estado de vapor. muitos quentes.
5 Se o corpo estiver inicialmente em B, ao di-
2 O pedreiro faz uso das ripas para permitir a dila-
minuirmos sua temperatura, ele se solidificará.
tação do concreto. Caso ele seja uma placa só, em
dias quentes, tende a rachar.
4 A transformação a seguir representa a: 3 A temperatura permanece constante.
p (atm) 4 Para a maioria das substâncias um aumento de
pressão eleva a temperatura de fusão, já para o
gelo um aumento de pressão baixa o ponto de fu-
são, ou seja, o gelo passa a derreter a temperatu-
ras abaixo de zero.
t(°C) Exercícios
1 C
a) solidificação.
b) fusão. 2 A
c) vaporização. 3 E, C, E, C, C
d) condensação.
e) sublimação. 4 D
5 C
5 Ao nível do mar, a água líquida entra em ebuli- 6 B
ção a 100ºC. Em Brasília, que fica a 1000m aci-
ma do nível do mar, é correto dizer que: 7 E
a) A água ferve a mais de 100ºC.
b) A água ferve a 100ºC.
c) A água ferve a menos de 100ºC.
c) A temperatura de fervura da água depende da
potência do fogo/aquecedor e não pode ser cal-
culada só com esses dados.
d) A temperatura de fervura da água depende da
umidade relativa do ar e não pode ser calcula-
da só com esses dados.
Editora Exato 11