Calor latente e Mudança de fase: o que cai no ENEM e nos vestibulares

Resumo rápido

Calor latente é o calor que provoca mudança de estado físico, sem mudar a temperatura. Quando o gelo derrete a 0 grau Celsius, ele recebe calor, mas continua a 0 grau até derreter todo. Quando a água ferve a 100 graus, ela recebe calor, mas continua a 100 graus até evaporar toda. É um tema 🔥 Quente no ENEM e nos vestibulares, porque aparece em questões de Física sobre derretimento, ebulição, evaporação, gráficos de temperatura contra tempo, sensação térmica e até sobre o ciclo da água e a formação de nuvens.

A diferença para o calor sensível é o destino do calor. No calor sensível, o calor aumenta a agitação das partículas e a temperatura sobe. No calor latente, o calor rompe ou forma ligações entre as partículas, mudando sua organização, sem aumentar a agitação média. Por isso, a temperatura fica parada durante a mudança de fase, formando um patamar no gráfico, que é a marca mais fácil de reconhecer em uma questão.

\[ Q = m \cdot L \]

As mudanças de fase e seus nomes

Há seis mudanças de fase, e a prova cobra os nomes com frequência. Fusão é a passagem do sólido para o líquido, como o gelo derretendo. Solidificação é a passagem do líquido para o sólido, como a água congelando. Vaporização é a passagem do líquido para o gasoso, que pode ocorrer por evaporação, lenta e só na superfície, ou por ebulição, rápida e em todo o líquido, quando ele atinge a temperatura de ebulição. Condensação, também chamada de liquefação, é a passagem do gasoso para o líquido, como o vapor que vira gotas no espelho do banheiro. Sublimação é a passagem direta do sólido para o gasoso, como a naftalina que some sem derreter, ou o gelo seco, que vira gás sem passar pelo líquido. Ressublimação, ou deposição, é a passagem direta do gasoso para o sólido, como a geada que se forma sobre as folhas em noites frias.

Cada mudança tem uma temperatura característica, à pressão de 1 atmosfera, para cada substância. Para a água, a fusão ocorre a 0 grau Celsius e a ebulição a 100 graus. Para o álcool, a fusão ocorre a cerca de menos 115 graus e a ebulição a cerca de 78 graus. Para o ferro, a fusão ocorre a cerca de 1.535 graus. Essas temperaturas são chamadas de pontos de fusão e de ebulição, e são propriedades da substância, usadas para identificá-la, assim como a densidade.

Durante a fusão e a ebulição, a temperatura permanece constante, desde que a pressão também permaneça constante. É o patamar do gráfico. Se a pressão mudar, a temperatura de mudança também muda: em uma panela de pressão, a água ferve acima de 100 graus, porque a pressão interna é maior, e por isso o alimento cozinha mais rápido. Em uma cidade alta, onde a pressão atmosférica é menor, a água ferve abaixo de 100 graus, e o cozimento demora mais. Essa relação entre pressão e ponto de ebulição é muito cobrada em questões sobre panela de pressão e sobre altitude.

Calor latente e sua fórmula

O calor latente de uma mudança de fase é a quantidade de calor necessária para mudar o estado de 1 grama da substância, sem mudar sua temperatura. Sua unidade usual é caloria por grama. Para a água, o calor latente de fusão é 80 calorias por grama, e o de vaporização é 540 calorias por grama. Isso significa que derreter 1 grama de gelo a 0 grau precisa de 80 calorias, e evaporar 1 grama de água a 100 graus precisa de 540 calorias, um valor muito alto, que explica por que a evaporação do suor retira tanto calor do corpo.

Para uma massa \( m \) e um calor latente \( L \), o calor latente trocado é \( Q = m \cdot L \). O sinal segue a mesma lógica do calor sensível: positivo quando o corpo recebe calor, como na fusão e na vaporização, e negativo quando cede calor, como na solidificação e na condensação. Não há variação de temperatura na fórmula, justamente porque a temperatura não muda durante a fase.

Exemplo resolvido. Quantos calorias são necessários para derreter 100 gramas de gelo a 0 grau Celsius?
Passo 1: calor latente de fusão da água é 80 calorias por grama.
Passo 2: \( Q = 100 \times 80 = 8.000 \, \text{cal} \). Note que esse calor não esquenta o gelo, que continua a 0 grau até derreter todo; ele só muda o estado.

Exemplo resolvido. Quantos calorias são necessários para evaporar 50 gramas de água a 100 graus?
Passo 1: calor latente de vaporização é 540 calorias por grama.
Passo 2: \( Q = 50 \times 540 = 27.000 \, \text{cal} \). É muito mais calor do que para derreter a mesma massa, porque romper todas as ligações do líquido para virar gás exige mais energia do que afrouxar as ligações do sólido para virar líquido.

O gráfico de temperatura contra tempo

O gráfico de aquecimento de uma substância, com temperatura no eixo vertical e tempo no eixo horizontal, é a ferramenta mais cobrada desse tema. Ele começa com uma subida, que é o aquecimento do sólido por calor sensível, até o ponto de fusão. Depois vem um patamar horizontal, que é a fusão, com calor latente. Depois vem outra subida, que é o aquecimento do líquido, até o ponto de ebulição. Depois vem outro patamar, que é a ebulição, com calor latente. Depois vem uma nova subida, que é o aquecimento do gás. Se o gráfico for de resfriamento, a leitura é inversa, com patamares de condensação e de solidificação.

A duração de cada patamar depende da quantidade de calor fornecida por unidade de tempo e da massa. Se a fonte fornece calor a uma taxa constante, o patamar mais longo corresponde à mudança com maior calor latente. Como o calor latente de vaporização da água é muito maior do que o de fusão, o patamar da ebulição é muito mais longo do que o da fusão, para a mesma massa e a mesma fonte. A prova costuma pedir para identificar, no gráfico, qual trecho é fusão, qual é ebulição e qual é aquecimento, sem pedir conta nenhuma.

Outro detalhe importante é a inclinação das subidas. Para a mesma fonte de calor e a mesma massa, uma subida mais inclinada indica um calor específico menor, porque a temperatura sobe mais rápido com o mesmo calor. Comparando a subida do sólido com a do líquido, no caso da água, a subida do gelo é mais inclinada do que a da água líquida, porque o calor específico do gelo, 0,50, é metade do da água líquida, 1,00. Essa comparação entre inclinações aparece em questões mais elaboradas, e vale a pena guardar.

Evaporação é diferente de ebulição, e a prova distingue as duas. A evaporação acontece em qualquer temperatura, só na superfície do líquido, e é mais rápida com vento, com calor e com baixa umidade. A ebulição acontece em uma temperatura definida, em todo o líquido, com formação de bolhas. Quando suamos, a evaporação do suor retira calor latente do corpo e nos refresca. Quando o vento aumenta, a evaporação acelera e sentimos mais frio, mesmo sem mudança na temperatura do ar, fenômeno ligado à sensação térmica.

Exemplos resolvidos passo a passo

Exemplo 1. Quantos calorias solidificam 200 gramas de água a 0 grau?
Passo 1: solidificação cede o mesmo calor latente da fusão, 80 calorias por grama, com sinal negativo.
Passo 2: \( Q = 200 \times (-80) = -16.000 \, \text{cal} \). O sinal negativo indica 16.000 calorias cedidas.

Exemplo 2. Um bloco de gelo de 50 gramas a menos 20 graus é aquecido até virar água a 20 graus. Quais etapas existem, sem calcular tudo?
Passo 1: aquecimento do gelo de menos 20 até 0 grau, por calor sensível.
Passo 2: fusão a 0 grau, por calor latente.
Passo 3: aquecimento da água de 0 até 20 graus, por calor sensível. São três etapas, e a prova costuma pedir a soma das três.

Exemplo 3. Calcule o calor total para aquecer 100 gramas de gelo de menos 10 até 0 grau, derreter todo o gelo e aquecer a água até 10 graus, com calor específico do gelo 0,50 e da água 1,00.
Passo 1: aquecimento do gelo: \( 100 \times 0,50 \times 10 = 500 \, \text{cal} \).
Passo 2: fusão: \( 100 \times 80 = 8.000 \, \text{cal} \).
Passo 3: aquecimento da água: \( 100 \times 1,00 \times 10 = 1.000 \, \text{cal} \).
Passo 4: total é \( 500 + 8.000 + 1.000 = 9.500 \, \text{cal} \).

Exemplo 4. Por que a água em uma panela de pressão ferve acima de 100 graus?
Passo 1: a panela fechada aumenta a pressão interna.
Passo 2: maior pressão eleva o ponto de ebulição, então a água ferve mais quente e cozinha mais rápido.

Mapa mental

• Calor latente e mudança de fase
  • \( Q = m \cdot L \); sem variação de temperatura durante a fase
  • Água: fusão a 0 grau com 80 cal/g; vaporização a 100 graus com 540 cal/g
  • Fusão, solidificação, vaporização, condensação, sublimação, ressublimação
  • Gráfico: subida é calor sensível, patamar é calor latente
  • Evaporação: superfície, qualquer temperatura; ebulição: todo o líquido, temperatura definida
  • Pressão maior eleva o ponto de ebulição; pressão menor abaixa
  • Suor refresca porque a evaporação retira calor latente do corpo

SAQ — Perguntas e respostas curtas

1. O que é calor latente?
É o calor que provoca mudança de estado físico, sem mudar a temperatura.

2. Qual é a fórmula do calor latente?
\( Q = m \cdot L \).

3. Quais são os calores latentes da água?
Fusão: 80 calorias por grama; vaporização: 540 calorias por grama.

4. O que é um patamar no gráfico de aquecimento?
É o trecho horizontal em que a temperatura não muda, durante uma mudança de fase.

5. Qual é a diferença entre evaporação e ebulição?
Evaporação é lenta, na superfície e em qualquer temperatura; ebulição é rápida, em todo o líquido e em temperatura definida.

6. O que é sublimação?
É a passagem direta do sólido para o gasoso, sem passar pelo líquido.

7. Por que a panela de pressão cozinha mais rápido?
Porque a pressão maior eleva o ponto de ebulição, e a água ferve mais quente.

8. Por que o suor refresca o corpo?
Porque sua evaporação retira calor latente do corpo.

Questões comentadas

As questões abaixo são inéditas, no estilo ENEM, criadas para esta matéria. Para mais treino, visite a sala de estudo.

Questão 1. Para derreter 50 gramas de gelo a 0 grau, são necessários:
a) 40 cal.
b) 400 cal.
c) 4.000 cal.
d) 27.000 cal.
e) 80 cal.
Gabarito: C. \( Q = 50 \times 80 = 4.000 \, \text{cal} \).

Questão 2. Durante a fusão do gelo, a temperatura:
a) aumenta linearmente.
b) diminui.
c) permanece constante, em patamar.
d) dobra.
e) cai a zero absoluto.
Gabarito: C. O calor latente muda o estado, sem mudar a temperatura, formando o patamar.

Questão 3. Para evaporar 10 gramas de água a 100 graus, são necessários:
a) 800 cal.
b) 5.400 cal.
c) 540 cal.
d) 80 cal.
e) 10 cal.
Gabarito: B. \( Q = 10 \times 540 = 5.400 \, \text{cal} \).

Questão 4. A passagem direta do sólido para o gasoso chama-se:
a) fusão.
b) condensação.
c) sublimação.
d) solidificação.
e) vaporização por ebulição.
Gabarito: C. Sublimação é a passagem direta, como na naftalina e no gelo seco.

Questão 5. Em uma cidade alta, a água ferve abaixo de 100 graus porque:
a) a pressão atmosférica é menor, o que abaixa o ponto de ebulição.
b) a temperatura ambiente é menor.
c) a água é diferente.
d) o calor latente aumenta.
e) a água evapora mais devagar.
Gabarito: A. Menor pressão significa menor ponto de ebulição.

Questão 6. No gráfico de aquecimento da água, o patamar mais longo corresponde a:
a) aquecimento do gelo.
b) fusão.
c) aquecimento da água líquida.
d) ebulição.
e) aquecimento do vapor.
Gabarito: D. O calor latente de vaporização, 540, é muito maior que o de fusão, 80, então o patamar da ebulição é o mais longo.

Dica do professor

Em gráfico de aquecimento, marque primeiro os patamares: eles são as mudanças de fase. Depois, marque as subidas: elas são os aquecimentos por calor sensível. Se a questão pedir calor total, some etapa por etapa, sem pular a fusão ou a ebulição, que costumam ser as maiores parcelas da conta.

Atenção / cuidado

• Não use calor sensível durante a mudança de fase: a temperatura não muda.
• Não use calor latente fora da mudança de fase: sem mudança de estado, use calor sensível.
• Não confunda evaporação com ebulição: uma é na superfície, a outra é em todo o líquido.
• Pressão muda o ponto de ebulição: panela de pressão e altitude alteram a temperatura de fervura.
• Calor latente de vaporização é muito maior que o de fusão: confira se o valor usado é o certo.

Conexão com outras áreas

Matemática: gráficos, patamares e somas de etapas. Química: pontos de fusão e ebulição, pressão de vapor e destilação. Biologia: suor, regulação térmica e ciclo da água. Geografia: nuvens, chuva, geada e clima. Cotidiano: panela de pressão, gelo, freezer e ar-condicionado. Para revisar, visite a sala de estudo, as páginas do ENEM e do vestibular e a lista de Física.

Incidência: 🔥 Quente — cai no ENEM e nos vestibulares. Matéria: Física 2 | Disciplina: Termologia | Tema: Calor latente e Mudança de fase.