Diagrama de Fases

Os diagramas de fase são como mapas que nos ajudam a entender como as substâncias mudam de estado físico em diferentes condições de temperatura e pressão.

Eles mostram de forma gráfica quais são os estados sólido, líquido e gasoso mais estáveis para uma substância em certas situações.

1. O Que São Diagramas de Fase?

Um diagrama de fase é um gráfico que relaciona a temperatura e a pressão, indicando os estados físicos de uma substância.

Ele é dividido em regiões que representam o estado sólido, líquido e gasoso.

Além disso, há curvas e pontos marcantes que explicam comportamentos únicos das substâncias.

2. Pontos Importantes em um Diagrama de Fase

Ponto Triplo:

É onde os três estados físicos (sólido, líquido e gasoso) coexistem em equilíbrio.

É um ponto único e fascinante que só ocorre em condições específicas de temperatura e pressão.

Ponto Crítico:

É o limite entre o líquido e o gasoso.

O ponto crítico é a condição em que não conseguimos mais transformar um gás em líquido apenas diminuindo sua temperatura.

Para voltar a substância do estado gasoso para o líquido, seria necessário modificar a pressão juntamente.

Acima desse ponto ponto, a substância passa a funcionar como o que chamamos de fluido supercrítico.

3. Diferença entre Vapor e Gás

Agora que entendemos o ponto crítico, vamos diferenciar vapor de gás.

Vapor:

É o estado gasoso de uma substância que pode voltar ao estado líquido apenas ao reduzir a temperatura, à pressão constante.

Gás:

É quando a substância no estado gasoso ultrapassou o ponto crítico, não podendo transformá-lo em líquido à pressão constante.

4. Interpretando um Diagrama de Fase

Para entender um diagrama de fase, vamos começar analisando o que acontece entre os estados sólido e líquido.

A transição entre esses estados físicos depende da temperatura e da pressão, e cada mudança tem características específicas.

Acompanhe o passo a passo:

1️⃣ Curva sólido-líquido (curva S-L)

No estado sólido, as partículas da substância estão organizadas e próximas, formando uma estrutura fixa.

Perceba que existe uma curva separando o sólido do líquido (curva S-L). Essa curva indica a temperatura de fusão em diferentes pressões. 

Ou seja, essa substância, em determinada pressão, precisa daquela temperatura correspondente para o sólido virar líquido. 

Perceba pelo formato da curva que, para a maioria das substâncias, o aumento da pressão aumenta a temperatura de fusão. 

Esse é o raciocínio importante na análise de um diagrama de fases. 

2️⃣ Curva líquido-gasoso (curva L-G)

Pelo formato da curva, percebemos que o aumento da pressão também aumenta a temperatura de ebulição. Isso acontece até alcançar o ponto crítico.

No ponto crítico, existe uma linha pontilhada na vertical, que lhe indica a correspondência para a temperatura crítica.

À direita da temperatura crítica, a variação na temperatura sozinha não modifica o estado físico da substância.

Para a substância voltar a ser líquida, seria necessário a diminuição da pressão primeiro, para depois ocorrer a diminuição da temperatura.

3️⃣ Curva sólido-gasoso (curva S-G)

Essa curva fala sobre a sublimação ou a ressublimação da substância. 

Assim como as demais, o aumento da pressão tende a aumentar a temperatura na qual a sublimação acontece. 

Normalmente, as sublimações acontecem em condições fora do nosso ambiente natural. Mas existem algumas que conseguem sublimar.

O dióxido de carbono sólido (gelo seco) sublima à pressão atmosférica, por exemplo.

5. Comportamento Anômalo da Água

O diagrama de fase da água é único por causa do seu comportamento anômalo.

Vimos que, normalmente, o aumento da pressão favorece o estado sólido, ou seja, o aumento da pressão aumenta o ponto de fusão.

Isso ocorre porque a maioria das substâncias possuem sua fase sólida mais densa, mais compacta, que a fase líquida. 

Na água, é o oposto. O gelo é menos denso que a água líquida.

As moléculas de água sólidas e organizam de uma forma que existam espaços vazios entre elas, diminuindo assim a densidade. 

Isso faz com que o aumento da pressão favorece o estado líquido, ou seja, o aumento da pressão diminui o ponto de fusão. 

Perceba a troca da curva S-L, comparado com o diagrama que vimos anteriormente.

É por isso que os icebergs flutuam! Essa propriedade faz com que o aumento da pressão transforme o gelo em líquido em vez de solidificá-lo ainda mais.

6. Exemplo Importante: Esquiar no Gelo

Quando você esquia no gelo, você está se aproveitando do comportamento anômalo da água. 

Quando você pisa com uma lâmina muito fina no gelo, você aumenta a pressão em uma área muito pequena da superfície do gelo.

Esse aumento da pressão diminui a temperatura de fusão do gelo ao ponto dela ficar abaixo da temperatura do ambiente de esquiar.

Em outras palavras, se o ponto de fusão fica menor que a temperatura do local, a água fica líquida ao invés de sólida.  

Se você preferir entender em números, é como se o ambiente estivesse a -2 °C, o gelo possuísse o ponto de fusão a 0 °C e, após o aumento da pressão, o ponto de fusão caísse para - 5 °C.

A camada de água líquida formada faz com que você deslize pela superfície com facilidade. 

Por fim, quando você passa do bloco de gelo derretido, a pressão diminui, o ponto de fusão aumenta de novo e a água retorna para o estado sólido.

Essa é a magia de esquiar no gelo!!

Conclusão

Os diagramas de fase são ferramentas incríveis que nos permitem prever o comportamento das substâncias em diversas condições.

Eles nos ajudam a entender desde fenômenos cotidianos, como a formação de gelo, até processos industriais avançados.

Agora que você sabe interpretar essas "curvas mágicas", que tal olhar com outros olhos para o próximo copo de água com gelo?