Química · 7.ª–9.ª classe

Como interpretar um gráfico de mudança de estado (curva de aquecimento)?

  • 11 min de leitura
  • 3 exemplos resolvidos
  • 5 exercícios com solução
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Resposta curta

Num gráfico de temperatura em função do tempo, os segmentos inclinados mostram a substância a aquecer num único estado, e os patamares horizontais mostram uma mudança de estado, durante a qual a temperatura se mantém constante. O valor do patamar é o ponto de fusão ou o ponto de ebulição.

Quando se aplica

A curva de aquecimento (ou de arrefecimento) aparece em testes e exames sempre que uma substância é aquecida ou arrefecida de forma regular e se regista a temperatura de minuto a minuto. O eixo horizontal é o tempo (min) e o eixo vertical é a temperatura (°C).

Pré-requisitos

  • Conhecer os estados físicos e os nomes das mudanças de estado (fusão, solidificação, vaporização, condensação).
  • Saber ler valores num gráfico ou numa tabela.
  • Saber que uma substância pura muda de estado a uma temperatura constante, enquanto uma mistura muda de estado numa gama de temperaturas.

Porque é que há patamares

A energia fornecida ao longo do tempo tem dois usos. Num segmento inclinado serve para aumentar a agitação das partículas, e a temperatura sobe. Num patamar serve para vencer as forças entre as partículas (separá-las), e por isso a temperatura não sobe até toda a amostra ter mudado de estado.

Método passo a passo

  1. Leia os eixos e as unidades: tempo na horizontal, temperatura na vertical.
  2. Divida o gráfico em segmentos: inclinados (a temperatura muda) e horizontais (a temperatura é constante).
  3. Nos segmentos inclinados, indique o estado: a substância está a aquecer (ou a arrefecer) sem mudar de estado. O estado deduz-se da posição em relação aos patamares: antes do 1.º patamar é sólido, entre os dois patamares é líquido, depois do 2.º é gasoso.
  4. Nos patamares, indique a mudança de estado: o 1.º patamar (aquecimento) é a fusão, o 2.º é a ebulição. Durante o patamar há dois estados presentes ao mesmo tempo (sólido e líquido, ou líquido e gás).
  5. Leia a temperatura do patamar: é o ponto de fusão (1.º) ou o ponto de ebulição (2.º).
  6. Calcule a duração de cada fase por subtração: tempo final menos tempo inicial.
  7. Conclua sobre a pureza: se há patamares nítidos, a amostra comporta-se como substância pura; se a temperatura continua a subir durante a mudança de estado, é uma mistura.

Nota

Numa curva de arrefecimento lê-se ao contrário: o patamar de temperatura mais alta é a condensação e o de temperatura mais baixa é a solidificação, e a temperatura de cada patamar é igual à da mudança inversa.

Porque é que os declives são diferentes

Com uma fonte de calor constante, o gelo aquece mais depressa do que a água líquida, porque a água líquida precisa de cerca do dobro da energia do gelo para subir 1 °C. Por isso o segmento do líquido é menos inclinado do que o do sólido. Não precisa de calcular isto no 1.º ciclo, mas ajuda a perceber porque os troços têm inclinações diferentes.

Exemplos resolvidos

Exemplo 1 — Aquecer gelo (nível básico)

Enunciado: Aquece-se uma amostra de gelo com uma fonte de calor constante e registou-se a temperatura (valores esquemáticos para treinar a leitura do gráfico):

Tempo (min)02121620
Temperatura (°C)−10001020

Entre 0 e 2 min e entre 12 e 20 min a temperatura varia de forma regular. Responda: (a) Qual é a temperatura inicial? (b) Qual é o ponto de fusão? (c) Quanto tempo dura a fusão? (d) Qual é o estado da água aos 1 min, aos 7 min e aos 15 min? (e) Qual é a temperatura aos 15 min?

Resolução:

  1. (a) No instante 0 a temperatura é −10 °C.
  2. (b) A temperatura fica constante em 0 °C entre os 2 e os 12 min: patamar de fusão, logo o ponto de fusão é 0 °C.
  3. (c) Duração da fusão = 12 − 2 = 10 min.
  4. (d) Aos 1 min a temperatura ainda está a subir antes do patamar: sólido. Aos 7 min está no patamar: sólido e líquido em simultâneo. Aos 15 min já passou o patamar: líquido.
  5. (e) Entre os 12 e os 16 min a temperatura sobe 10 °C em 4 min, ou seja, 2,5 °C por minuto. Aos 15 min passaram 3 min desde os 12 min: 3 × 2,5 = 7,5, logo a temperatura é 7,5 °C.

Resposta: (a) −10 °C; (b) 0 °C; (c) 10 min; (d) sólido, sólido + líquido, líquido; (e) 7,5 °C. Verificação: 7,5 °C fica entre 0 °C (aos 12 min) e 10 °C (aos 16 min), como deve ser.

Exemplo 2 — Substância pura ou mistura? (nível de exame)

Enunciado: Duas amostras líquidas, A e B, foram aquecidas até à ebulição nas mesmas condições. Os registos foram:

Tempo (min)04891216
Amostra A (°C)2060100100100100
Amostra B (°C)2060100101102104

Uma das amostras é água destilada e a outra é água com sal dissolvido. Identifique cada uma e justifique.

Resolução:

  1. Na amostra A, a temperatura sobe até 100 °C e fica constante (patamar de ebulição): comporta-se como substância pura, com ponto de ebulição de 100 °C.
  2. Na amostra B, a temperatura continua a subir durante a ebulição (de 101 °C a 104 °C): não há patamar, o que é característico de uma mistura.
  3. A água com sal é uma mistura, e uma solução de sal em água ferve a uma temperatura ligeiramente superior à da água pura.

Resposta: A é a água destilada; B é a água com sal. Verificação: a substância pura tem ponto de ebulição fixo; a mistura tem uma gama de temperaturas.

Exemplo 3 — Curva de arrefecimento

Enunciado: Colocou-se água líquida a 30 °C num congelador e registou-se a temperatura (valores esquemáticos): 0 min → 30 °C; 3 min → 0 °C; 13 min → 0 °C; 15 min → −10 °C. Entre os 13 e os 15 min a descida é regular. Responda: (a) Que mudança de estado ocorre? (b) A que temperatura e durante quanto tempo? (c) Qual é a temperatura aos 14 min?

Resolução:

  1. (a) A temperatura fica constante em 0 °C entre os 3 e os 13 min: é um patamar de solidificação (a água líquida passa a gelo).
  2. (b) Temperatura: 0 °C. Duração: 13 − 3 = 10 min.
  3. (c) Entre os 13 e os 15 min a temperatura desce 10 °C em 2 min, ou seja, 5 °C por minuto. Aos 14 min passou 1 min desde os 13 min: 0 − 5 = −5 °C.

Resposta: solidificação a 0 °C durante 10 min; aos 14 min, −5 °C. Verificação: −5 °C fica entre 0 °C e −10 °C.

Erros frequentes

  • Dizer que durante o patamar «nada acontece». A energia continua a ser fornecida; está a ser usada para mudar o estado, não para subir a temperatura.
  • Confundir o patamar com o fim do processo. O patamar só termina quando toda a amostra mudou de estado.
  • Ler o ponto de fusão no patamar de cima. O 1.º patamar (mais baixo, no aquecimento) é a fusão; o 2.º é a ebulição.
  • Dizer que no patamar a substância está toda no mesmo estado. Estão presentes dois estados em simultâneo.
  • Esquecer as unidades ou trocar os eixos (ler a temperatura no eixo do tempo).
  • Calcular a duração somando em vez de subtrair os instantes do início e do fim do patamar.

Exercícios propostos

Tente resolver primeiro no caderno; depois confira.

1Exercício 1

Numa curva de aquecimento, uma substância pura que está sólida a 20 °C vê a temperatura subir até 80 °C, mantém-se nos 80 °C entre os 5 e os 15 min e depois volta a subir. Qual é a mudança de estado, o ponto de fusão e a duração do processo?

Ver solução

É a fusão, com ponto de fusão 80 °C, e dura 15 − 5 = 10 min.

2Exercício 2

Explique por que razão a temperatura não aumenta durante uma mudança de estado, apesar de a fonte de calor continuar ligada.

Ver dica

Pense no que acontece às forças entre as partículas.

Ver solução

A energia fornecida é usada para vencer as forças que mantêm as partículas unidas (na fusão) ou muito próximas (na ebulição), e não para aumentar a agitação das partículas. Como a agitação não aumenta, a temperatura mantém-se constante até toda a amostra mudar de estado.

3Exercício 3

Uma curva de aquecimento de uma substância pura tem dois patamares. Quantos estados físicos diferentes foram observados e em que ordem?

Ver solução

Foram observados três estados: sólido, líquido e gasoso, por esta ordem: sólido → (1.º patamar, fusão) → líquido → (2.º patamar, ebulição) → gás.

4Exercício 4

Numa cidade a grande altitude, como o Huambo, um termómetro colocado em água pura a ferver marca 100 °C? Justifique.

Ver dica

O ponto de ebulição depende da pressão atmosférica.

Ver solução

Normalmente não. Em altitude a pressão atmosférica é menor, por isso a água ferve a uma temperatura inferior a 100 °C. O valor de 100 °C refere-se à pressão normal, ao nível do mar.

5Exercício 5

Uma amostra de água é aquecida e regista-se: 0 min → 90 °C; 2 min → 100 °C; 4 min → 100 °C; 6 min → 100 °C; 8 min → 100 °C. (a) O que se está a observar? (b) Será que a amostra é pura? Justifique.

Ver solução

(a) A água está em ebulição: a temperatura fica constante em 100 °C a partir dos 2 min. (b) Os dados são compatíveis com uma substância pura, pois o patamar é nítido e o ponto de ebulição é fixo. Para afirmar com mais segurança seria preciso observar também o ponto de fusão.

Perguntas frequentes

Quando se usa este método?

Sempre que um enunciado apresentar um gráfico ou uma tabela de temperatura em função do tempo durante o aquecimento ou arrefecimento. É também o método para determinar pontos de fusão e de ebulição a partir de dados experimentais.

Existe um método mais rápido?

Sim: procure primeiro os trechos horizontais. Cada um é uma mudança de estado, e a temperatura do trecho dá logo o ponto de fusão ou de ebulição. Os restantes trechos são aquecimento (ou arrefecimento) de um único estado.

Que erros são mais comuns?

Confundir patamar com fim do processo, ler o ponto de ebulição no patamar da fusão e dizer que no patamar existe apenas um estado. Veja a secção de erros frequentes.

E se o gráfico não tiver patamares?

Se a temperatura sobe de forma contínua mesmo durante a mudança de estado, a amostra é provavelmente uma mistura, porque as misturas mudam de estado numa gama de temperaturas. Também é possível que o aquecimento não tenha sido continuado até ao ponto de fusão ou de ebulição.

Resumo

  • Gráfico temperatura-tempo: eixo horizontal é o tempo; o vertical é a temperatura.
  • Segmento inclinado: a substância aquece num só estado.
  • Patamar: mudança de estado a temperatura constante; é o ponto de fusão ou de ebulição.
  • No aquecimento, o 1.º patamar é a fusão e o 2.º é a ebulição; no arrefecimento é ao contrário.
  • A duração calcula-se por subtração dos tempos do início e do fim do patamar.
  • A substância pura dá patamares nítidos; a mistura não.

Onde aprofundar

  • O manual de Química (ou Ciências) da sua classe e o programa oficial do INIDE / Ministério da Educação de Angola — confirme a edição em vigor.
  • Chemistry da OpenStax (em inglês, de acesso livre), capítulo sobre mudanças de fase e curvas de aquecimento.
  • Aprendizagens Essenciais da DGE (Portugal), para quem segue o currículo português.

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