O que é diagrama de fases?

O diagrama de fases é um gráfico muito particular que mostra, por meio de diversas regiões, como o estado físico de uma substância se comporta em função de seus valores de temperatura e pressão. Cada setor do diagrama de fases é demarcado por uma curva específica: fusão, vaporização e sublimação. Em alguns pontos específicos, é possível apresentar as condições para que mais de um estado físico de uma substância possa coexistir.

Além do mais, é possível ainda encontrar uma zona crítica onde seja impossível distinguir a substância entre líquido e gasoso. É muito comum usar a água como um exemplo prático para ilustrar os estados característicos, já que é uma substância com mudanças de estado bem perceptíveis.

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Tópicos deste artigo

• 1 - Resumo sobre diagrama de fases
• 2 - Quais os elementos do diagrama de fases?
• 3 - Como funciona o diagrama de fases?
• 4 - Diagrama de fases da água
• 5 - Exercícios resolvidos sobre diagrama de fases

Resumo sobre diagrama de fases

• Diagrama de fases é um gráfico de temperatura x pressão, com diversas zonas demarcadas.
• Os principais elementos de um diagrama de fases são suas curvas de mudança de estado e os pontos onde elas podem coexistir.
• Para trabalhar com um diagrama de fases, é necessário, para uma substância, saber os valores de pressão e temperatura em que se encontra.
• O diagrama de fases da água pode apresentar as diversas situações em que ela pode ser encontrada em mais de um estado físico.

Quais os elementos do diagrama de fases?

• Curva de fusão: curva que representa a transição do estado sólido para o estado líquido.
• Curva de vaporização: curva que representa a transição do estado líquido para o estado gasoso.
• Curva de sublimação: curva que representa a transição do estado sólido para o estado gasoso.
• Ponto triplo do diagrama de fases: ponto específico do diagrama onde os três estados físicos coexistem em equilíbrio termodinâmico.
• Ponto crítico: ponto ao final da curva de vaporização, marcando a condição limite onde não é mais possível distinguir entre os estados líquido e gasoso. Acima desse ponto, não é possível mais distinguir as propriedades entre líquidos e gases.

Como funciona o diagrama de fases?

Para compreender um diagrama de fases, é necessário saber os seguintes detalhes:

• Eixos: o eixo horizontal demarca os valores de temperatura, enquanto o eixo vertical mostra os valores de pressão.
• Regiões: as áreas demarcadas no diagrama apresentam os estados da matéria.
• Curvas de equilíbrio: linhas que separam as regiões do estado físico e marcam as condições onde duas fases podem coexistir em equilíbrio térmico.
• Ponto triplo: único ponto onde os três estados coexistem em equilíbrio térmico.

Então, para interpretar um diagrama de fases, é preciso verificar quais mudanças de estado ocorrem pelas curvas de equilíbrio, ou seja, pela influência da temperatura e pressão.

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Diagrama de fases da água

O diagrama de fases da água é uma representação gráfica que apresenta as condições de pressão e temperatura, especificamente da água, onde se encontram diferentes estados físicos (sólido, líquido e gasoso). O diagrama revela as mudanças de estado e também indica seu ponto triplo e o ponto crítico. 

Exercícios resolvidos sobre diagrama de fases

1. (Unesp 2013) A liofilização é um processo de desidratação de alimentos que, além de evitar que seus nutrientes saiam junto com a água, diminui bastante sua massa e seu volume, facilitando o armazenamento e o transporte. Alimentos liofilizados também têm seus prazos de validade aumentados, sem perder características como aroma e sabor.

O processo de liofilização segue as seguintes etapas:

I. O alimento é resfriado até temperaturas abaixo de 0 °C, para que a água contida nele seja solidificada.

II. Em câmaras especiais, sob baixíssima pressão (menores do que 0,006 atm), a temperatura do alimento é elevada, fazendo com que a água sólida seja sublimada. Dessa forma, a água sai do alimento sem romper suas estruturas moleculares, evitando perdas de proteínas e vitaminas.

O gráfico mostra parte do diagrama de fases da água e cinco processos de mudança de fase, representados pelas setas numeradas de 1 a 5.

A alternativa que melhor representa as etapas do processo de liofilização, na ordem descrita, é

a) 4 e 1.  

b) 2 e 1.  

c) 2 e 3.  

d) 1 e 3.  

e) 5 e 3.  

Resposta: [C].

Etapa I: a água sofre solidificação, passando da fase líquida para a sólida, processo indicado pela seta 2.

Etapa II: o gelo sofre sublimação, passa da fase sólida para vapor, processo indicado pela seta 3.

2. (UFMG 2010) Considere estas informações:

• a temperaturas muito baixas, a água está sempre na fase sólida;
• aumentando-se a pressão, a temperatura de fusão da água diminui.

Assinale a alternativa em que o diagrama de fases pressão versus temperatura para a água está de acordo com essas informações.
a) 

b)

c)

d)

Resposta: [D].

De imediato eliminamos as opções a) e b), pois a baixas temperaturas a água está na fase gasosa. A opção c) apresenta aumento de temperatura de fusão com o aumento de pressão.

Abaixo mostramos a coerência da opção d) com o enunciado: p_A > p_B  T_A < T_B.

Fontes

HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl (colab.). Fundamentos de física: gravitação, ondas e termodinâmica, volume 2. 10. ed. Rio de Janeiro: LTC - Livros Técnicos e Científicos, 2016.

HEWITT, P. G. Física conceitual. 9. ed. Porto Alegre: Bookman, 2002.