Vaporização

A vaporização é um processo de mudança de estado físico da matéria em que as partículas líquidas se tornam gasosas. No caso, as moléculas do líquido adquirem energia cinética suficiente para romperem as interações intermoleculares, assim se desprendendo da massa líquida e compondo a atmosfera gasosa sobre o líquido.

A vaporização pode ocorrer de três formas distintas: evaporação, ebulição e calefação. Na evaporação, a passagem ocorre abaixo da temperatura de ebulição, lentamente, utilizando-se a energia térmica existente no ambiente. Já na ebulição, a mudança para o estado gasoso ocorre rapidamente e se inicia quando a pressão de vapor sobre a superfície do líquido se iguala à pressão atmosférica. Por fim, a calefação é uma passagem para o estado gasoso que ocorre quando o líquido é exposto a uma temperatura muito acima da temperatura de ebulição, gerando o chamado “Efeito Leidenfrost”.

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Resumo sobre vaporização

• A vaporização é uma mudança de estado físico da matéria em que as moléculas do líquido são desprendidas na forma de gás.
• A vaporização ocorre mediante absorção de energia térmica, a qual rompe as interações intermoleculares do líquido.
• A vaporização pode ocorrer na forma de evaporação, ebulição e calefação.
• A evaporação é uma lenta passagem para o estado gasoso. Nela as moléculas da superfície do líquido conseguem se desprender para a atmosfera gasosa com a energia térmica ali presente.
• Já a ebulição apresenta uma rápida passagem para o estado gasoso, iniciando-se quando a pressão de vapor se iguala à pressão atmosférica.
• A calefação ocorre quando o líquido é exposto a uma temperatura muito acima da sua temperatura de ebulição.

O que é vaporização?

A vaporização é um processo de mudança do estado físico da matéria em que as moléculas do líquido adquirem energia cinética suficiente para superar as forças de interações intermoleculares que existem entre elas. A partir disso, tais moléculas escapam do líquido e se tornam parte da atmosfera gasosa sobre a superfície do líquido.

Processo de vaporização

De um ponto de vista microscópico, é fácil entender o processo de vaporização. O que difere os estados físicos da matéria é, basicamente, o estado de agregação das moléculas participantes. O estado sólido, por exemplo, é o estado mais agregado, com interações mais intensas entre as moléculas, ao passo que no estado gasoso — oposto ao sólido — essas interações são fracas e praticamente inexistentes.

Portanto, a chave para vaporização é, basicamente, permitir que as moléculas consigam romper tais interações intermoleculares. O aumento de temperatura do meio é uma forma, pois assim as moléculas adquirem maior energia cinética, ou seja, agitam-se mais vigorosamente. Ao passo que as moléculas conseguem se agitar mais vigorosamente, as interações intermoleculares podem se romper, permitindo o escape das moléculas para a atmosfera.

Tipos de vaporização

Podemos dizer que vaporização pode ocorrer de três formas:

• evaporação;
• ebulição;
• calefação.

Cada forma apresenta características específicas de como a massa líquida passa para o estado gasoso.

Evaporação, ebulição e calefação

Para entender melhor as diferenças entre as formas de vaporização, vamos supor uma panela de água destampada que está aquecendo em um fogão na cozinha, cuja pressão atmosférica é de 1 atm. Por vezes, a energia térmica presente já é capaz de fazer escapar algumas moléculas da superfície do líquido para a atmosfera, o que configura uma evaporação. Na evaporação, a camada superficial do líquido passa para o estado de vapor lentamente, abaixo do que conhecemos como temperatura de ebulição.

A atmosfera externa é formada pelo ar que está em volta e, conforme o aquecimento do líquido da panela ocorre, as moléculas gasosas da água começam a também compor a atmosfera externa. Sendo moléculas gasosas, com massa, exercem pressão sobre a superfície do líquido que está sendo aquecido, algo conhecido como pressão de vapor. Quanto mais quente, maior o índice de evaporação (pois maior é a energia térmica disponível) e, consequentemente, maior é a participação das moléculas de água gasosas na pressão de vapor.

No caso da água, quando a temperatura chega aos 100 °C, a pressão de vapor se iguala à pressão atmosférica e ela é realizada apenas por moléculas de água, as quais evaporaram do líquido, ou seja, a atmosfera imediatamente acima da superfície do líquido é composta apenas por moléculas de água em estado gasoso. A partir desse ponto, atinge-se a ebulição, visualmente percebida pela formação de bolhas de vapor que se desprendem da massa líquida, configurando uma passagem mais rápida e vigorosa do estado líquido para o estado gasoso. Por isso, pode-se dizer que a temperatura de ebulição de um líquido é a temperatura na qual a sua pressão de vapor se iguala à pressão atmosférica presente. Se o aquecimento persistir, o líquido irá se ebulir por completo, ou seja, todas as moléculas presentes irão para o estado gasoso.

O que entendemos como calefação é, na verdade, consequência de um efeito físico conhecido como “Efeito Leidenfrost”, em homenagem ao cientista que o observou e descreveu pela primeira vez, o alemão Johann Gottlob Leidenfrost, no ano de 1756.

A calefação ocorre quando o líquido é introduzido a uma temperatura bem maior que a sua temperatura de ebulição. Isso pode ser observado quando pegamos uma panela de aço inoxidável bem quente e pingamos algumas gotas de água sobre ela. Um pequeno filme de vapor se forma entre as gotas líquidas e a superfície sólida superaquecida, fazendo com que a bolha não molhe a superfície, mas sim role como pequenas bolas de gude. O vapor, inclusive, atua como isolante térmico nessa situação, impedindo que a vaporização seja imediata. Estima-se que uma gota de água, de diâmetro de 2 mm, possa flutuar por cerca de 1 minuto sob uma superfície metálica a 200 °C.

Mudanças de estado físico

A vaporização é apenas um dos processos de mudança de estado físico da matéria. Tais processos ocorrem por meio da formação ou ruptura de interações intermoleculares. Estão intimamente ligados à troca de energia na forma de calor.

Processos que necessitam de ruptura das interações intermoleculares para ocorrerem precisam absorver energia do ambiente para que isso ocorra. Em geral, essa energia é absorvida na forma de calor e, portanto, tais processos são reconhecidos como endotérmicos. São processos endotérmicos a fusão, a vaporização e a sublimação (quando o sólido se transforma em gás).

Já processos que formam as interações intermoleculares acabam eliminando a energia cinética excedente das moléculas — já que terão menor liberdade de movimentação após a formação das interações — para o ambiente na forma de calor. Por isso, tais processos são reconhecidos como exotérmicos. São processos exotérmicos a condensação (ou liquefação), a solidificação e a sublimação (quando o gás se transforma em sólido).

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Exercícios resolvidos sobre vaporização

Questão 1

(UPF Inverno/2024) Do ponto de vista macroscópico, a matéria pode existir em três estados de agregação distintos (fases): sólido, líquido e gasoso. Sob determinadas condições de temperatura e pressão, uma substância pode passar de uma fase para outra. A vaporização, passagem da fase líquida para a fase gasosa, pode ser classificada como evaporação, ebulição ou calefação, dependendo da forma que se processa.

A evaporação caracteriza-se por ocorrer:

1. na superfície livre do líquido e à temperatura ambiente.
2. em toda massa do líquido e à temperatura ambiente.
3. em toda massa do líquido e sempre à temperatura de 100 °C.
4. na superfície livre do líquido e à temperatura de 100 °C ao nível do mar.
5. em toda massa do líquido e à temperatura de 100 °C ao nível do mar.

Resposta: Letra A.

A evaporação é um fenômeno de lenta passagem das moléculas da superfície do líquido para a atmosfera gasosa. Isso porque ocorre em temperatura menor que a temperatura de ebulição, aproveitando-se da energia térmica presente.

Questão 2

(Encceja 2020) Para o uso sustentável da água, recomenda-se que as plantas e o gramado de um jardim sejam molhados antes das 10 horas da manhã e após as 19 horas. Assim, garante-se a manutenção da umidade desse jardim, respeitando-se o ciclo da água, sem desperdícios.

Essa recomendação considera o fenômeno da

1. calefação.
2. sublimação.
3. evaporação.
4. condensação.

Resposta: Letra C.

Os líquidos sempre estão propensos a sofrerem evaporação, pois esse fenômeno ocorre abaixo da temperatura de ebulição. Contudo, nos horários mencionados, a energia térmica disponível é menor e, dessa forma, a velocidade da evaporação é também menor. Por conta disso, a umidade fica presente mais facilmente.

Fontes

ATKINS, P.; JONES, L.; LAVERMAN, L. Princípios de Química: questionando a vida e o meio ambiente. 7. ed. Porto Alegre: Bookman, 2018.

FAGHRI, A.; ZHANG, Y. Boiling. In: Transport Phenomena in Multiphase Systems. Cap. 10, p. 765-852. Cambridge, Massachusetts, EUA: Academic Press, 2006.

ARFKEN, G. B.; GRIFFING, D. F.; KELLY, D. C.; PRIEST, J. Thermal Properties of Matter. In: University Physics. Cap. 22, p. 412-428. Cambridge, Massachusetts, EUA: Academic Press, 1984.