Diagrama de fases

Imagine-se na situação de esquentar uma caneca de água, na qual a caneca está completamente fechada. Ao evoluir a temperatura, existe um momento em que o líquido se encontra na iminência de se transformar em vapor, quando dizemos que o líquido está saturado. Esta ocasião consiste em um equilíbrio termodinâmico que separa o estado líquido do estado gasoso.

Sabemos que esse estado pode ser deslocado alterando variáveis termodinâmicas como pressão, volume ou temperatura. O diagrama que mapeia todos os pontos de equilíbrio termodinâmico das fases é chamado de diagrama de fases.

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Toda substância pode ser caracterizada pelo seu estado termodinâmico, isto é, quando suas moléculas possuem muita liberdade e energia cinética ela é caracterizada pelo estado gasoso; quando as moléculas estão próximas, com um volume muito bem definido e resistindo a deformações mecânicas, a substância é caracterizada pelo estado sólido; já quando a distância de suas moléculas é suficiente para assumir a forma do meio que o comporta, ela é caracterizada pelo estado líquido.

Uma vez conhecendo os estados da matéria, construímos um diagrama informando a pressão e a temperatura presente em cada um desses estados. O gráfico obtido é como mostra a figura abaixo:

Por esse diagrama de estados, podemos visualizar as principais transformações de fase. Cada ramo do gráfico recebe o nome de sua principal transformação.

• Curva Amarela: separa a região entre sólido e líquido, recebe o nome de curva de fusão, na qual há o equilíbrio entre os estados sólido e líquido;
• Curva Azul: estado de equilíbrio entre líquido e vapor, portanto, chamada de curva de vaporização;
• Curva Verde: divisa entre o estado sólido e o estado de vapor, caracterizando a transformação de fase sublimação, logo, é chamada de curva de sublimação.

Existe um ponto em especial nessa curva onde ocorre o encontro dos três estados da matéria, logo, neste ponto, existe equilíbrio entre as fases sólido, líquido e vapor. Esse ponto é denominado ponto triplo.

No equilíbrio, as fases coexistem. No ponto triplo, portanto, é possível observar as três fases presentes ao mesmo tempo.

Para a maioria das substâncias, o ponto triplo é, também, a menor temperatura na qual o líquido pode existir. Pode-se observar no diagrama de fases anterior que não é possível se obter a fase líquida para temperaturas abaixo do ponto triplo, entretanto, para nem todas as substâncias isso é verdade.

Algumas substâncias admitem um comportamento anômalo, como a Água, o Ferro, o Bismuto e o Antimônio. Isto se deve por suas dilatações anômalas. Essas substâncias, quando estão em estado sólido, possuem volume maior do que se estivessem em estado líquido, induzindo possuir um diagrama de estados diferente do que costumamos observar em outras substâncias.

Existe um ponto do diagrama de fases, em especial, no qual não conseguimos mais provocar alguma mudança de fase na substância. Esse ponto é denominado ponto crítico.

No ponto crítico, quando aumentamos a pressão, não conseguimos mais atingir alguma mudança de fase. Quando estamos a pressão e temperatura acima do estado crítico, dizemos que a substância se encontra como um fluído supercrítico homogêneo. Nesta situação, as características do estado gasoso e líquido se convergem.

É possível que você tenha presenciado o inconveniente de estourar uma garrafa de vidro ao colocá-la com água no freezer. Isso ocorre pelo fenômeno da dilatação anômala da água.

A água, ao se solidificar, aumenta o seu volume, podendo acarretar a falha estrutural de um recipiente de vidro que a contenha. Por este motivo, é recomendado utilizar recipientes de plásticos para ir ao freezer, uma vez que eles podem se deformar com a dilatação da água.

O diagrama de fases da água é mostrado na figura abaixo:

Perceba que a curva de fusão é decrescente, diferente do que foi mostrado nos diagramas de fase anteriores. Esta propriedade só possível devido à dilatação anômala da água, a partir da qual, com o aumento da pressão, sua temperatura de fusão diminua.

Esse fenômeno nos permite entender porque a formação do gelo sempre ocorre primeiro na superfície. Perceba que a superfície da água sempre estará a uma pressão menor que a superfície do seu interior, logo, o seu ponto de fusão na superfície é maior que no seu interior. Por esse motivo, aliado à propriedade isolante do gelo, é possível encontrar lagos congelados somente em suas superfícies.

Nota: A dilatação anômala da água ocorre devido à presença das pontes de hidrogênio.