Fusão

Fusão é a mudança do estado físico da fase sólida para a fase líquida, sendo um processo endotérmico e inverso da solidificação. Em uma troca de calor, no ponto de fusão, a amostra absorve calor latente e, com isso, dá início a sua transformação de estado sem mudar sua temperatura.

Leia também: Ressublimação — a mudança do estado gasoso para o estado sólido, sem passar pelo estado líquido

Resumo sobre fusão

• Fusão é a mudança do estado físico sólido para o estado físico líquido.
• A partir da observação de substâncias puras, é possível descrever a fusão através de duas leis, a depender da pressão submetida na amostra.
• A fusão necessita de trocas de calor e é um processo endotérmico.
• A quantidade de calor latente durante a fusão não muda a temperatura do corpo.

O que é fusão?

A fusão é um processo físico/químico responsável pela mudança do estado físico sólido para o estado físico líquido. Dessa maneira, as moléculas do sólido devem absorver energia térmica através de um processo endotérmico. Assim, as moléculas intensificam seu estado de agitação com o aumento de energia cinética e, com isso, quebram a estrutura rígida do sólido.

Leis da fusão

As leis da fusão descrevem como uma substância passa do estado sólido para o estado líquido:

• 1ª lei – Temperatura constante sob uma determinada pressão: Para uma substância pura e cristalina, existe uma temperatura específica chamada de ponto de fusão, de modo que, ao atingir esse patamar, inicia-se, então, o processo de fusão.

• 2ª lei – Temperatura inalterada: Durante o processo de fusão, sua temperatura permanece constante, pois o calor absorvido por trocas térmicas nesse momento está sendo usado para quebrar a rigidez molecular da estrutura sólida e não para aumentar a energia cinética das moléculas.

É possível acompanhar as condições físicas da fusão através do diagrama de fases de cada substância.  A seguir, veja o diagrama de fases da água:

Veja também: O que é a ebulição?

Como ocorre a fusão?

Fusão é a mudança do estado físico sólido para o estado físico líquido. Quando um corpo encontra-se no estado sólido, suas moléculas estão muito próximas, em um padrão chamado de rede cristalina, e vibrando em posições fixas e estáveis. Ao contato com uma fonte de calor, a energia térmica converte-se em energia cinética para as moléculas, o que configura o aumento de temperatura.

No ponto de fusão, o corpo não mais aumenta de temperatura, e a energia absorvida no processo é convertida em quantidade de calor latente. Nesse ponto, em especial, as estruturas sólidas moleculares são rompidas, e a amostra muda do estado físico para o estado líquido. Nesse estado, as moléculas perdem a sua rigidez e a sua organização fixa, podendo mover-se livremente, mesmo que relativamente próximas.

Fusão e a quantidade de calor latente

Quando uma amostra atinge seu ponto de fusão, ou seja, a temperatura em que o processo de mudança de estado ocorre, o calor absorvido passa a efetuar a quebra da rigidez das moléculas organizadas previamente na estrutura cristalina. Essa quantidade de calor absorvida, em que não tem qualquer mudança de temperatura do corpo, é chamada de quantidade de calor latente.

A quantidade de calor latente necessário para que haja a fusão depende da natureza do material aquecido. Por exemplo, o gelo necessita de 80 calorias a cada grama para mudar do estado sólido para o estado líquido.

Matematicamente, a expressão que define a quantidade de calor latente é:

Q = m ⋅ L

• Q – Quantidade de calor latente (cal)
• M – Massa (g)
• L – Calor latente (Cal/g)

Acesse também: Afinal, o que é calor latente?

Exercícios resolvidos sobre fusão

Questão 1

(PUC) Em um calorímetro perfeito são colocados 10 g de gelo a 0°C e 10 g de água a 80°C.

Qual é, em Celsius, a temperatura final do sistema?

Dado:

c_água = 1,0 cal/g °C

L_fusão água = 80/cal g

A) 80

B) 73

C) 40

D) 20

E) 0

Resolução:

Alternativa E.

Calor necessário para que todo o gelo derreta:

Q_fusão = m_gelo L_fusão

Q_fusão = 10 ⋅ 80

Q_fusão = 800 cal

Calor perdido para que a água chegue a 0 °C:

Q_água = m_água c_água Δθ_água

Q_água = 10 ⋅ 1 ⋅ (0 - 80)

Q_água = - 800 cal

Como Q_fusão + Q_água = 0, a temperatura de equilíbrio será de 0 °C.

Questão 2

(Comvest / Unicamp) Num laboratório de termodinâmica foi feito um experimento de calorimetria no qual 30 g de gelo foram transformados em água, obedecendo a curva de aquecimento fornecida no gráfico a seguir.

De acordo com o experimento, assinale a alternativa correta.

A) O calor específico do gelo é 1,0 \(\frac{\text{cal}}{g \cdot {}^\circ\mathrm{C}} \).  

B) O calor latente de fusão do gelo é 80,0 cal/g.   

C) O calor específico da água é 0,5 ​​​\(\frac{\text{cal}}{g \cdot {}^\circ\mathrm{C}} \).  

D) Para transformar gelo em água sem alterar a temperatura, é preciso uma quantidade de calor igual a 2700 cal.   

Resolução:

Alternativa B.

\(\Delta Q = mL_f \;\;\Rightarrow\;\; L_f = \frac{\Delta Q}{m} = \frac{2.700 - 300}{30} = \frac{2.400}{30} \;\;\Rightarrow\;\; \boxed{L_f = 80 \;\frac{{cal}}{g}} \)

Fontes

HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl (colab.). Fundamentos de física: gravitação, ondas e termodinâmica, volume 2. 10. ed. Rio de Janeiro: LTC - Livros Técnicos e Científicos, 2016.

HEWITT, P. G. Física conceitual. 9. ed. Porto Alegre: Bookman, 2002.