A matéria pode existir em três formas, como gás, líquido ou sólido. No gás, as moléculas se movem livremente em linha reta, chocando-se umas com as outras e contra as paredes do recipiente. No líquido, as moléculas ficam muito próximas uma da outra, porém podem mover-se com certa facilidade, como um menino que avança numa multidão. No sólido, cada molécula tem uma posição fixa em tôrno da qual pode apenas vibrar, isto é, mover-se muito puco para um lado e para outro. Neste capítulo você aprenderá sôbre a quantidade de calor necessária para derreter um sólido como o gêlo e sôbre o calor libertado quando um líquido congela.

Se você pudesse ver as moléculas de um pedaço de gêlo que foi respriado até próximo do zero absoluto, você verificaria que elas se agitam muito pouco. Se a temperatura do gêlo fôsse aumentada gradativamente, suas moléculas vibrariam cada vez mais vigorosamente, deslocando-se de distâncias maiores para um lado e para o outro. Suas energias cinéticas aumentariam à medida que o gêlo absorvesse calor. Quando a temperatura chegasse a 0ºC, algo diferente ocorreria. As moléculas vibrariam tão vigorosamente que venceriam as fôrças que as prendem às moléculas vizinhas e começariam a perambular por entre as outras. Em outras palavras, o gêlo se fundiria. Imagine, agora, o que acontece quando você esfria cada vez mais um pouco de água. As moléculas se movem cada vez mais vagarosamente e sua energia decresce. Quando a temperatura atinge 0ºC elas perambulam tão vagarosamente que se podem prender umas as outras para formar um sólido. Em outras palavras, a água se solidifica gradualmente. Após a solidificação de tôda a água, as moléculas, que agora podem apenas vibrar, passam a mover-se mais lentamente à medida que a temperatura decresce. No zero absoluto de temperatura elas vibrariam muito pouco.

Enquanto a água está congelando ou o gêlo fundido, sua temperatura permanece no 0ºC.

Tôdas as substâncias que são formadas de cristais se comportam como gêlo. À medida que suas temperaturas são elevadas suas moléculas vibram mais violentamente até que, à certa temperatura, elas escapam dos seus cristais e a substância se funde. Tôda substância cristalina funde-se e solidifica-se a uma temperatura definida.

Os plásticos não têm temperaturas definidas de fusão.

Você provàvelmente se recorda de que os plásticos, como a borracha, cêra, parafina e manteiga amolecem gradualmente quando são aquecidos, e por êles podem ser moldados. Nos plásticos, algumas moléculas são prêsas mais fortemente às suas vizinhas do que outras. Os plásticos não têm pontos de fusão definidos. Assim, a manteiga se funde entre 33ºC e 39ºC.

As substâncias, em sua maioria, se contraem quando solidificam, mas a água expande-se. Se você coloca uma garrafa de leite no congelador de modo que o leite solidifique, seu volume aumenta de 10 por cento. Nos lugares muito frios, a água pode-se congelar no inverso, no radiador dos automóveis e arrebentar os canos. O mesmo pode acontecer nos encanamentos das casas. O congelamento da água fas a água dilatar-se e arrebentar os canos.

É muito desagradável encontrar-se o carro numa manhã de inverno com o radiador congelado e danificado, num lugar muito frio. Isso pode ser evitado colocando na água substâncias que só a deixam congelar a temperaturas muito abaixo de 0ºC. A expansão da água ao congelar-se pode -ser, porém, muito útil. Ela auxilia os agricultores nas regiões muito frias; isso porque a água, ao congelar-se nas rachaduras extremamente finas das rochas, as fragmenta, contribuindo para a formação de solo arável. Outro efeito é ainda mais importante. Se a água se contraísse ao solidificar, o gêlo formado na superfície dos lagos no inverno rigoroso seria mais denso que a água e iria para o fundo. No verão seguinte o gêlo, no fundo, ficaria isolado pela água acima dêle e não fundiria. Ano após ano, mais gêlo se acumularia até que o lago todo se congelasse. O mesmo acontecendo nos mares, a maior parte da água se congelaria com perigo para a sobrevivência dos sêres vivos.

Além da água, o antimônio e outras poucas substâncias dilatam-se ao solidificarem. Tipos metálicos para impressão contêm antimônio para se dilatarem e compensar a contração dos outros metais, de modo que o tipo pode ser feito derramando o metal líquido em moldes. A maioria das substâncias se contrai na solidificação. As moedas devem ser cunhadas em moldes por compressão. Se elas fôssem feitas em moldes fixos, o metal se contrairia quando solidificado e não encheria completamente o molde, ficando com uma das faces imperfeita.

Aperte dois pedaços de gêlo um contra o outro e solte-os então. A pressão aumentada nos pontos em que os dois pedaços se tocam faz o gêlo se fundir aí. Diminuindo a pressão, os dois pedaços se ligam pela congelação da água entre êles.

Apertando um pouco de neve na mão produz-se a fusão de uma parte dela pela pressão. Ao soltar a neve, as partículas se juntam pelo congelamento da água formando uma bola dura (faça a experiência com a "neve" que se forma no congelador de sua geladeira). O aumento da pressão baixa o ponto de fusão do gêlo. A diminuição da temperatura de fusão é muito pequena. Um aumento de pressão de 1.000 atmosferas, mais de 1 tonelada por centímetro quadrado, faria baixar a temperatura de fusão de apenas 5,7ºC.

Para demonstrar o abaixamento do ponto de fusão pela pressão, suspenda dois pesos por um arame fino, colocado sôbre um bloco de gêlo. A pressão sob o fio faz com que êste penetre lentamente no gêlo. À medida que o arame se move lentamente para cima, calor será tomada da água acima do fio para derreter o gêlo, e a água acima do fio se congelará novamente e o gêlo se refaz. (O nome dado a essa fusão por pressão e re-solificação é regêlo).

Se colocar um pedaço grande de gêlo numa panela sôbre uma chama, diversos minutos serão necessários para fundir o gêlo sem que a temperatura se altere. Durante a fusão, o calor da chama é utilizado para derreter o gêlo sem elevar sua temperatura. Calor de fusão é a quantidade de calor necessária para fundir uma unidade de pêso de uma substância sem mudar sua temperatura.

Calor (Q) = pêso (P) X calor de fusão (Qf)

Você pode determinar a quantidade de calor necessária para fundir 1 grama de gêlo do seguinte modo: Pese um bloco de gêlo a 0ºC, do tamanho aproximado de uma laranja, e coloque num vaso. Aqueça uma quantidade igual de água a 80ºC e derrame-a no gêlo. Após a fusão total do gêlo a temperatura da água será pràticamente de 0ºC. Cada grama de água inicial cedeu ao gêlo, ao esfriar-se, 80 calorias, fundindo igual quantidade de gêlo. Oitenta calorias são a quantidade de calor necesária para fundir 1 grama de gêlo sem elevar sua temperatura.

Exemplo: Que quantidade de calor é necessária para fundir 30 g* de gêlo a 0ºC e aquecer a água resultante a 60ºC?

Pêso do gêlo = 30g*

temperatura à qual a água é aquecida = 60ºC.

Determinar o calor necessário para fundir o gêlo e aquecer a água a 60ºC.

Pêso X calor de fusão = calorias para fundir o gêlo;

30g* X 80 cal./g* = 2.400 cal.

Pêso X calor específico X variação de temperatura = calorias para aquecer a água.

O gêlo se funde e a água congela à mesma temperatura.

Substâncias cristalinas têm pontos de fusão definidos, o que não ocorre com outras substâncias.

A maioria das substâncias se contraem ao se solidificarem, mas a água se expande.

O calor de fusão da água é de 80 calorias por grama.