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Física

Solidificação

Gabriel Briguiet
Publicado por Gabriel Briguiet
Última atualização: 26/4/2019

Introdução

A solidificação é a mudança de estado físico sofrida por um líquido que passa para o estado sólido. Pode ser considerada o inverso da fusão (derretimento, passagem do sólido para o líquido).


Para uma substância pura, a solidificação ocorre quando ela é resfriada até uma determinada temperatura, usualmente chamada de ponto de fusão (já que a fusão também ocorre nessa temperatura, durante o aquecimento). Cada substância apresenta seu ponto de fusão, especificado sob a pressão de 1 atm.

Quando uma substância pura se solidifica, todo o processo de solidificação ocorre na temperatura do ponto de fusão, ou seja, a solidificação ocorre sob temperatura constante!

Porém, ao se tratar de uma mistura, e não de uma substância pura, a temperatura durante o processo de solidificação não é constante, e varia dentro de uma faixa, dependendo da substância.

Calor latente de solidificação

Para ocorrer a solidificação, é necessário que o líquido perca, ceda calor. A quantidade de calor, de energia, que precisa ser retirada do líquido para que ele se solidifique depende de qual substância é tratada, e também da massa de líquido a se solidificar.

A constante chamada de calor latente de solidificação tem o mesmo valor, em módulo, do calor de fusão. Suas unidades mais comuns são \( cal/g \) e \( kJ/kg \), ou seja, têm a dimensão de energia/unidade de massa. A tabela abaixo apresenta o ponto de fusão (mesma temperatura do ponto de solidificação) e o calor latente de fusão (mesmo módulo do calor latente de solidificação) para algumas substâncias puras.


Assim, a quantidade de calor cedido por uma massa \( m \) de líquido se solidificando pode ser calculada por:

$$ Q_{s} = - L_{f} \cdot m $$

O sinal negativo se deve à convenção de que o calor perdido por um corpo é negativo.

Solidificação da água

A maioria das substâncias diminuem seu volume ao sofrer solidificação, ou seja, se tornam mais densas. Contudo, a água é uma substância que se dilata quando solidifica. Assim, o gelo (água na fase sólida) é menos denso que a água, e, por isso, flutua.

Essa dilatação da água ao solidificar também explica outra situação do cotidiano. Ao se colocar uma garrafa ou lata completamente cheia em um congelador, há o risco do recipiente quebrar ou estourar, já que a água em seu interior aumentará de volume ao congelar (se solidificar).

Além disso, a dilatação da água apresenta comportamento anômalo, na faixa entre 0 °C e 4 °C, o que tem muita influência no congelamento de lagos.

Em geral, uma substância dilata (diminui a densidade) quando aquecida, e contrai (aumenta a densidade) quando resfriada. 

Contudo, nessa faixa de temperatura, o comportamento da água é inverso: sua densidade diminui quando é resfriada de de 4 a 0 ºC, em vez de aumentar, com se era esperado. Em qualquer outra faixa de temperatura, o comportamento de dilatação da água é normal.

 

Gráficos de densidade e volume específico da água, evidenciando sua dilatação anômala entre 0 e 4 ºC.

Essa dilatação anômala da água é de fundamental importância para a manutenção da vida em lagos durante o inverno. A água de um lago perde calor para o ambiente pela superfície. Assim, as camadas de água na superfície se tornam mais frias e, portanto, mais densas. Desse modo, ocorre movimentação por convecção entre as camadas d’água (a água fria desce e a água quente sobe). 

Contudo, ao chegar aos 4 ºC, a água que se resfria em contato com o ar passa a ficar mais leve (diminuição anômala da densidade com o resfriamento), e, então, a convecção cessa. Assim, essa camada d’água permanece sendo resfriada no topo e acaba congelando, enquanto as camadas de maior profundidade permanecem líquidas. O gelo que se forma na superfície do lago não é um bom condutor térmico, e evita um congelamento mais profundo.

Caso um lago congelasse por inteiro, incluindo as águas mais profundas, quase toda a vida aquática ali presente poderia morrer.

Diagrama de fases

O diagrama de fases mostra em qual estado físico uma substância se encontra, dependendo de sua temperatura e pressão. Nos diagramas abaixo, a curva de solidificação/fusão está destacada em azul.

O diagrama da esquerda mostra o comportamento da maioria das substâncias, que se contraem na solidificação. O diagrama da direita mostra o comportamento da água, que se dilata durante a solidificação.

Referências

HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos de física, volume 2: gravitação, ondas e termodinâmica. 8ª edição. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 2009.


Exercícios

Exercício 1
(PUC-RS)

A água apresenta um comportamento incomum entre 0 e 4ºC: nesse intervalo de temperatura, enquanto a temperatura diminui, a água se expande, ao contrário do que acontece, em geral, com outras substâncias. Esse comportamento permite a sobrevivência da fauna e flora aquáticas durante o inverno. No gráfico que segue, o volume da substância água é relacionado com a sua temperatura em graus celsius \( ºC \).

A propósito das informações anteriores, afirma-se:

  • Em temperatura ambiente acima de 4 ºC, a água no fundo do lago apresentará temperatura mais baixa do que a da superfície.
  • Em temperatura ambiente inferior a 0 ºC, a água ficará congelada na superfície e líquida em profundidades maiores, pois o gelo da superfície isola termicamente as águas mais profundas.
  • Em qualquer temperatura ambiente, a temperatura da água será a mesma em todas as profundidades.
    Ilustração: Rapaz corpulento de camiseta, short e tênis acenando

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