UMA curva de aquecimento é a representação gráfica de como a temperatura de uma amostra varia em função do tempo, mantendo a pressão constante e adicionando calor de maneira uniforme, ou seja, a uma taxa constante.
Para construir um gráfico deste tipo, são tomados pares de valores de temperatura e tempo, que posteriormente são representados graficamente colocando a temperatura no eixo vertical (ordenada) e o tempo no eixo horizontal (abcissa)..
Em seguida, a curva mais apropriada é ajustada a esses pontos experimentais e, finalmente, um gráfico da temperatura T é obtido em função do tempo t: T (t).
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À medida que é aquecida, uma substância passa por vários estados sucessivos: de sólida pode transformar-se em vapor, passando quase sempre pelo estado líquido. Esses processos são chamados de mudanças de estado, em que a amostra aumenta sua energia interna enquanto o calor é adicionado, conforme indica a teoria cinética molecular..
Ao adicionar calor a uma amostra, existem duas possibilidades:
- A substância aumenta sua temperatura, pois suas partículas são agitadas com maior intensidade.
- O material está passando por uma mudança de fase, na qual a temperatura permanece constante. A adição de calor tem o efeito de enfraquecer em certa medida as forças que mantêm as partículas unidas, por isso é fácil passar do gelo para a água líquida, por exemplo.
A Figura 2 mostra os quatro estados da matéria: sólido, líquido, gasoso e plasma, e os nomes dos processos que permitem a transição entre eles. As setas indicam a direção do processo.
Começando com uma amostra no estado sólido, quando derrete vai para o estado líquido, quando vaporiza vira gás e por ionização vira plasma..
O sólido pode ser convertido diretamente em gás pelo processo conhecido como sublimação. Existem substâncias que se sublimam facilmente à temperatura ambiente. O mais conhecido é o COdois ou gelo seco, bem como naftaleno e iodo.
Enquanto a amostra passa por uma mudança de estado, a temperatura permanece constante até que o novo estado seja alcançado. Isso significa que se, por exemplo, você tiver uma porção de água líquida que atingiu o ponto de ebulição, sua temperatura permanece constante até que toda a água se transforme em vapor..
Por esta razão, espera-se que a curva de aquecimento seja composta por uma combinação de seções crescentes e seções horizontais, onde estas últimas correspondem a mudanças de fase. A Figura 3 mostra uma dessas curvas para uma determinada substância.
Nos intervalos de crescimento ab, CD Y ef a substância é encontrada como um sólido, líquido e gás, respectivamente. Nessas regiões a energia cinética aumenta e com ela a temperatura.
Enquanto isso em ac está mudando seu estado de sólido para líquido, portanto as duas fases coexistem. É assim que acontece na seção a partir de, em que a amostra muda de líquido para gás. Aqui, a energia potencial está mudando e a temperatura permanece constante.
O procedimento reverso também é possível, ou seja, a amostra pode ser resfriada para adotar sucessivamente outros estados. Nesse caso, falamos de curva de resfriamento.
As curvas de aquecimento têm a mesma aparência geral para todas as substâncias, embora obviamente não tenham os mesmos valores numéricos. Algumas substâncias demoram mais que outras para mudar de estado e derretem e evaporam em diferentes temperaturas..
Esses pontos são conhecidos respectivamente como ponto de fusão e ponto de ebulição, e são características de cada substância..
Por isso as curvas de aquecimento são muito úteis, pois indicam o valor numérico dessas temperaturas para milhões de substâncias que existem como sólidos e líquidos na faixa de temperaturas consideradas normais e à pressão atmosférica..
Em princípio, é muito simples: basta colocar uma amostra da substância em um recipiente com agitador, inserir um termômetro e aquecer uniformemente..
Simultaneamente, ao iniciar o procedimento, um cronômetro é acionado e os respectivos pares temperatura-tempo são anotados de tempos em tempos..
A fonte de calor pode ser um queimador a gás, com boa taxa de aquecimento, ou uma resistência elétrica que emite calor ao ser aquecida, que pode ser conectada a uma fonte variável para atingir diferentes potências..
Para maior precisão, existem duas técnicas amplamente utilizadas no laboratório de química:
- Análise térmica diferencial.
- Calorimetria de varrimento diferencial.
Eles comparam a diferença de temperatura entre a amostra em estudo e outra amostra de referência com uma alta temperatura de fusão, quase sempre um óxido de alumínio. Com esses métodos, é fácil encontrar os pontos de fusão e ebulição.
Considere as curvas de aquecimento da água e do ferro mostradas na figura. A escala de tempo não é mostrada, porém é imediato distinguir as temperaturas de fusão para ambas as substâncias que correspondem ao ponto B de cada gráfico: para água 0 º C, para ferro 1500 º C.
A água é uma substância universal e a faixa de temperaturas necessária para ver suas mudanças de estado é fácil de alcançar em laboratório. São necessárias temperaturas muito mais altas para o ferro, mas, como observado acima, a forma do gráfico não muda substancialmente..
Ao aquecer a amostra de gelo, de acordo com o gráfico estamos no ponto A, a uma temperatura abaixo de 0º C. Observa-se que a temperatura aumenta a uma taxa constante até atingir 0º C.
As moléculas de água dentro do gelo vibram com maior amplitude. Uma vez que a temperatura de fusão (ponto B) é atingida, as moléculas já podem se mover na frente umas das outras.
A energia que chega é investida na redução da força de atração entre as moléculas, para que a temperatura entre B e C permaneça constante até que todo o gelo derreta..
Uma vez que a água está completamente no estado líquido, a vibração das moléculas aumenta novamente e a temperatura aumenta rapidamente entre C e D até o ponto de ebulição de 100º C. Entre D e E a temperatura permanece nesse valor enquanto a energia que chega garante que toda a água do recipiente evapore.
Se todo o vapor d'água puder ser contido em um recipiente, ele pode continuar aquecendo do ponto E ao ponto F, cujo limite não é mostrado no gráfico..
Uma amostra de ferro pode sofrer essas mesmas alterações. No entanto, dada a natureza do material, as faixas de temperatura são muito diferentes..
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