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Confusão recorrente sobre vaporização da água

Qual a quantidade de calor necessária para vaporizar um bloco de gelo que está a -5ºC? Sendo que a sua massa é de 500g, c gelo= 0,5, c água= 1 cal/g ºC, Lf= 80 e Lv= 540 cal.

Pergunta originalmente feita em http://br.answers.yahoo.com/question/

Respondido por: Prof. Fernando Lang da Silveira - www.if.ufrgs.br/~lang/

A resposta do Galado possivelmente seja aquela que o idealizador da questão espera. Este tipo de questão é recorrente em textos de Física de ensino médio, provas de concursos e outros. Apresento a resposta esmerada do Galado abaixo, em vermelho.

1° – o gelo deve sair de -5°C para 0°C para sofrer a fusão.

Q = m . c(gelo) . ∆θ
Q = 500g . 0,5 . ( 0 – [-5] )
Q = 50 . 5 . 5
Q = 50 . 25
Q = 1250cal ←
==========================
2° – o gelo entrará em fusão com temperatura constante, ou seja, ainda a 0°C.

Q’ = Lf . m
Q’ = 80 . 500
Q’ = 40000cal ←
===========================
3° – o gelo já virou água com temperatura a 0°C, elevaremos essa água até 100°C para sofrer vaporização.

Q” = m . c(água) . ∆θ
Q” = 500 . 1 . ( 100 – 0 )
Q” = 500 . 100
Q” = 50000cal ←
===========================
4° – a água começa a sofre vaporização, sem variar a temperatura de 100°C.

Q”’ = Lv . m
Q”’ = 540 . 500
Q”’ = 270000cal ←
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−…
Já temos tudo o que precisamos para achar a resposta, o calor necessário para o gelo a -5°C vire vapor é a soma de todo o calor que achamos, indicados por ( ← ).

∑Q = Q + Q’ + Q” + Q”’
∑Q = 1250cal + 40000cal + 50000cal + 270000cal
∑Q = 90000cal + 1250cal + 270000cal
∑Q = 360000cal + 1250cal
∑Q = 361250cal

O equívoco da resposta do Galado encontra-se explícito no terceiro passo de sua bem construída solução. Vejamos o que o Galado disse:

3° – o gelo já virou água com temperatura a 0°C, elevaremos essa água até 100°C para sofrer vaporização.

Ele admite acriticamente (talvez induzido pelos livros de Física ou pelo professor que o ensinou) que a água SOMENTE VAPORIZA A 100°C.

Entretanto 100°C é o ponto de ebulição da água quando a pressão externa é 1 atm.

ÁGUA PODE VAPORIZAR EM QUALQUER TEMPERATURA e de fato vaporiza pois do contrário as roupas lavadas e molhadas não secariam em um varal.

A VAPORIZAÇÃO da água acontece em qualquer temperatura, caso a umidade relativa da atmosfera não seja 100%, e tal processo é denominado EVAPORAÇÃO.

A água vaporiza mesmo quendo está no estado sólido (gelo) e há muitas evidências de que tal acontece em temperaturas inferiores a do ponto de fusão:

1 –  Alimentos deixados em um freezer sem estar em embalagens hermeticamente fechadas desidratam.

2 – Em embalagens hermeticamente fechadas em um freezer aparece dentro da embalagem (como por exemplo na tampa da embalagem) gelo que não havia logo a seguir ao congelamento. Neste caso há vaporização (sublimação) do gelo no alimento e posteriormente condensação (solidificação) em outro local dentro da embalagem. A foto abaixo documenta, em uma embalagem hermeticamente fechada, contendo guisado congelado a formação de cristais de gelo aderidos à tampa depois de alguns meses (foto2) quando logo após o congelamento este gelo não existia (foto1).

aliment_cong

3 – Fiz um experimento, onde uma bandeja de gelo contendo inicialmente quase 370 g de água, evaporou completamente (sublimou) em 158 dias em um freezer do tipo frost free. Ou seja, toda a água da bandeja evaporou apesar de a temperatura ser cerca de -20°C. Vide Como se apresenta a água a -5 ºC a pressão normal? e É verdade que gelo vaporiza?

Assim sendo, a resposta do Galado está equivocada e, de fato responder essa questão é muitíssimo mais complicado do que o próprio idealizador da questão imagina.

Podes consultar também:

Umidade relativa: o que é e como se determina?

Diferencie ebulição de evaporação!

Termodinâmica: vaporização da água

Vide o artigo Um tema negligenciado em textos de Física Geral: a vaporização da água disponível em ResearchGate.

“Docendo discimus.” (Sêneca)

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