O Diagrama de fases

Sabemos, de uma forma geral, que existem várias transformações de estados físicos que podem acontecer com a matéria, sendo elas:

• Fusão: Passagem do sólido para o líquido

• Solidificação: Passagem do líquido para o sólido

• Vaporização: Passagem do líquido para o gasoso

• Condensação ou Liquefação: Passagem do gasoso para o líquido

• Sublimação: Passagem do sólido para o gasoso

• Ressublimação: Passagem do gasoso para o sólido

Essas transformações podem ocorrer através da modificação de uma ou duas variáveis, que são temperatura e pressão. Assim, dependendo das condições que a matéria estiver sendo submetida, se utilizarmos apenas a mudança na temperatura ou na pressão a mudança de estado irá ocorrer; caso contrário a mudança nas duas variáveis é necessária.

Para melhor visualizar a forma como temperatura e pressão estão diretamente relacionadas com as mudanças de estados físicos foi desenvolvido um diagrama, chamado de diagrama de fases, que nos mostra as variações que esses dois parâmetros podem sofrer e as transformações físicas que ocorrem. Podemos observar nele qual é a fase física mais estável de uma determinada substância em cada condição de temperatura e pressão. Abaixo temos uma representação geral de um diagrama de fases:

Diagrama de fases geral para a matéria

Podemos observar que ele apresenta a variável pressão no eixo x e a variável temperatura no eixo y. É composto de três regiões (A, B, C), três curvas (entre C e A, entre C e B, entre A e B) e um ponto central (D) que interliga as três curvas.

1- Estudo do diagrama de fases

Cada detalhe de um diagrama de fases está descrito logo a seguir:

a) Regiões

• Região A: é a região que nos mostra quais são as condições de temperatura e pressão para que o estado líquido seja predominante (mais estável).

• Região B: é a região que nos mostra quais são as condições de temperatura e pressão para que o estado vapor seja predominante (mais estável).

• Região C: é a região que nos mostra quais são as condições de temperatura e pressão para que o estado sólido seja predominante (mais estável).

b) Curvas

• entre C e A: essa curva é chamada de curva solidificação, na qual temos as condições de temperatura e pressão para que as fases sólida e líquida coexistam em equilíbrio. É zona limítrofe entre os estados sólido e líquido. Assim, qualquer ponto localizado sobre ela indica que teríamos a substância nos estados sólido e líquido.

• entre C e B: essa curva é chamada de curva ressublimação, na qual temos as condições de temperatura e pressão para que as fases sólida e gasosa coexistam em equilíbrio. É zona limítrofe entre os estados sólido e vapor. Assim, qualquer ponto localizado sobre ela indica que teríamos a substância nos estados sólido e vapor.

• entre A e B: essa curva é chamada de curva condensação, na qual temos as condições de temperatura e pressão para que as fases líquida e gasosa coexistam em equilíbrio. É zona limítrofe entre os estados líquido e vapor. Assim, qualquer ponto localizado sobre ela indica que teríamos a substância nos estados líquido e vapor.

c) Ponto Central (D)

Esse ponto é chamado de ponto triplo, já que nele temos uma condição de temperatura e uma condição de pressão na qual encontramos a substância nos três estados físicos da matéria (sólido, líquido e vapor) ao mesmo tempo.

2- O diagrama de fases da água e o grau de liberdade

Temos abaixo um exemplo de um diagrama de fases específico de uma substância, a água. Nele, podemos observar alguns detalhes que são muito importantes como as condições para a ocorrência do ponto triplo, as condições específicas de cada estado, o ponto crítico etc.

O ponto crítico (C) indica pra nós qual é a condição para que a divisória entre líquido e vapor desapareça, ou seja, a partir desse ponto teremos a substância no estado gasoso. Assim teremos uma única fase uniforme. No caso da água, isso ocorre a uma temperatura crítica (t_c) de 374 ^oC e uma pressão de 218 atm. A partir desses valores de temperatura e pressão temos a água gasosa.

Outro detalhe que pode ser avaliado no diagrama de fases é o que chamamos de grau de liberdade. Denomina-se grau de liberdade o número de variáveis que podem ou não ser alteradas, sem que o número de fases físicas se altere. É importante dizer que o grau de liberdade depende da parte do diagrama que estivermos avaliando: curva, região ou ponto triplo.

Diagrama de fases da água

Analisando o diagrama de fases da água podemos discutir bem a questão do grau de liberdade. Por exemplo:

• Ponto T: No ponto T, que é o ponto triplo, temos um grau de liberdade igual a zero, pois não temos a liberdade de variar nem a temperatura nem a pressão.

• Região Sólida: Se determinarmos um valor específico de temperatura (de baixo para cima, na vertical, teremos vários valores de pressão que determinariam esse estado. Se fizermos o inverso, determinando um valor fixo de pressão (da esquerda para a direita) o mesmo ocorreria com a temperatura. Por conta disso dizemos que o grau de liberdade é igual a 2.

• Curva de solidificação: Nela podemos observar que se marcamos um ponto sobre a curva, esse ponto estará relacionado a um valor de pressão único e um valor de temperatura único. Assim, escolhida uma temperatura sobre um ponto da curva, automaticamente estaremos escolhendo o valor de pressão que corresponde àquela temperatura e vice-versa. Por conta disso dizemos que o grau de liberdade aqui é igual a 1.

Observação: Um físico norte americano chamado Josiah W. Gibbs desenvolveu uma fórmula na qual podemos determinar o grau de liberdade de uma substância em qualquer área do diagrama de Fases. Nela temos L, que é o grau de liberdade; C, que é o número de combinações de componentes; e F, que é o número de fases.

Assim, se quisermos determinar o grau de liberdade sobre a curva de solidificação temos que:

C = 1 (escolher a temperatura, escolher a pressão automaticamente)
F = 2 (temos sólido e líquido)

L = 1 + 2 – 2
L = 1,

Por conta disso chamamos esse sistema de univariante, ou seja, possui apenas uma variável que pode ser escolhida.

Agora, escolha o ponto triplo ou um ponto qualquer de uma região do diagrama e determine o grau de liberdade. Bom estudo!

Por Me. Diogo Lopes Dias