Exercícios sobre diagramas de fases (com gabarito explicado) - Toda Matéria
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Exercícios de Física
Exercícios sobre diagramas de fases (com gabarito explicado)
Ana Lucia Souto
Professora de Física e Ciências
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Os diagramas de fases são ferramentas fundamentais para entender como a matéria se comporta em diferentes temperaturas e pressões.
Nestes exercícios, você poderá praticar a interpretação de diagramas de água, benzeno, dióxido de carbono e hélio, aplicando conceitos de transições de fase, ponto triplo, ponto crítico e fluidos supercríticos. Cada questão vem com gabarito explicado, ajudando você a consolidar o aprendizado e se preparar de forma prática para o ENEM.
Questão 1
Durante uma expedição ao Pico da Bandeira, um grupo de montanhistas levou água em uma garrafa térmica especial com medidor de pressão e temperatura.
Ao longo do dia, eles observaram diferentes comportamentos da água conforme as condições mudavam. Elas estão resumidas como:
I. Na base da montanha: 25°C e 1 atm
II. No acampamento: 0°C e 0,5 atm
III. No pico (garrafa aberta): 0°C e 0,006 atm
IV. Experimento com bomba de vácuo: 25°C e 0,02 atm
Para entender o que estava acontecendo eles usaram um diagrama de fase da água, como o mostrado abaixo:
E as seguintes informações:
Ponto triplo em 0°C e 0,006 atm;
Três linhas se encontrando no ponto triplo.
Em qual(is) situação(ões) é possível observar a coexistência de três fases da água simultaneamente?
a) Apenas na situação I, pois está em temperatura ambiente.
b) Apenas na situação II, pois está a 0°C.
c) Apenas na situação III, pois está exatamente no ponto triplo.
d) Nas situações II e III, pois ambas estão a 0°C.
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Gabarito explicado
Resposta correta: alternativa c) Apenas na situação III, pois está exatamente no ponto triplo.
Vamos analisar cada situação:
Situação I
: 25°C e 1 atm - Ponto localizado na região da água líquida - apenas uma fase presente.
Situação II
:
0°C e 0,5 atm - Ponto sobre a linha de fusão - coexistem apenas gelo e água líquida (duas fases).
Situação III
: 0°C e 0,006 atm - Este é exatamente o ponto triplo da água, único ponto onde as três fases (sólido, líquido e vapor) coexistem em equilíbrio.
Situação IV
: 25°C, 0,02 atm - Ponto localizado na região do vapor - apenas uma fase presente.
O ponto triplo é único e ocorre em condições muito específicas de temperatura e pressão.
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Questão 2
Muitas pessoas utilizam a panela de pressão para cozinhar alimentos como feijão e carnes em menos tempo.
O princípio de funcionamento é simples: a panela é um recipiente hermeticamente fechado que, ao ser aquecido, aprisiona o vapor dʼágua.
O acúmulo de vapor aumenta a pressão interna para valores significativamente maiores que a pressão atmosférica normal.
Para entender cientificamente por que isso acelera o cozimento, é preciso analisar o diagrama de fases da água, que relaciona pressão, temperatura e os estados físicos da matéria.
Com base no diagrama e no funcionamento da panela de pressão, qual alternativa explica corretamente por que os alimentos cozinham mais rapidamente nela?
a) A pressão alta comprime as fibras do alimento, amolecendo-as diretamente, sem que a temperatura seja o fator principal.
b) Ao aumentar a pressão interna para cerca de 2 atm, a panela eleva a temperatura de ebulição da água para aproximadamente 120°C, fazendo com que o calor seja transferido ao alimento de forma mais intensa.
c) A panela, por ser selada, impede que o vapor escape, fazendo com que o alimento cozinhe no seu próprio suco, o que é mais eficiente que cozinhar em água.
d) O aumento da pressão interna reduz a temperatura necessária para a água ferver, economizando energia e cozinhando o alimento com menos calor.
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Gabarito explicado
Resposta correta: alternativa b) Ao aumentar a pressão interna para cerca de 2 atm, a panela eleva a temperatura de ebulição da água para aproximadamente 120°C, fazendo com que o calor seja transferido ao alimento de forma mais intensa.
A alternativa b) é a única que interpreta corretamente o diagrama e o fenômeno.
O diagrama mostra que a linha de equilíbrio líquido-gás tem uma inclinação positiva.
Em uma panela aberta, a pressão é de 1 atm e a água ferve a 100°C.
Na panela de pressão, o aumento da pressão para cerca de 2 atm força a água a ferver em uma temperatura mais alta, em torno de 120°C.
Como as reações químicas do cozimento são mais rápidas em temperaturas mais elevadas, o alimento cozinha em menos tempo.
As outras alternativas apresentam erros conceituais:
a pressão não cozinha o alimento diretamente - alternativa a);
a eficiência do vapor é um fator, mas não o principal - alternativa c);
e a pressão aumenta, não reduz, a temperatura de ebulição - alternativa d)
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Questão 3
Em uma indústria química, um processo de purificação de benzeno (C₆H₆) envolve a cristalização fracionada, onde o benzeno líquido é resfriado lentamente até começar a solidificar.
Um engenheiro, lembrando-se do fenômeno da patinação no gelo (onde a pressão da lâmina derrete o gelo), sugere aplicar alta pressão ao sistema.
Ele argumenta que isso diminuiria a temperatura de congelamento do benzeno, permitindo que a solidificação ocorra a uma temperatura mais baixa e economizando energia com refrigeração.
Para avaliar a proposta, um técnico consulta o diagrama de fases do benzeno, apresentado abaixo:
Onde PT é o ponto triplo e PC é o ponto crítico.
Analisando o diagrama de fases do benzeno, qual é a consequência termodinâmica da proposta do engenheiro?
a) A hipótese do engenheiro está incorreta; o diagrama mostra que a linha de equilíbrio sólido-líquido tem inclinação positiva, significando que um aumento de pressão, na verdade, eleva a temperatura de congelamento.
b) A proposta é viável, pois o benzeno, assim como a água, é uma substância anômala cujo sólido é menos denso que o líquido, fazendo com que a pressão facilite a fusão.
c) Ao aplicar alta pressão, o sistema se aproximaria do Ponto Triplo, onde a coexistência das três fases tornaria o processo de purificação por cristalização impossível.
d) A proposta só funcionaria se a pressão fosse alta o suficiente para levar o benzeno ao estado supercrítico, onde a cristalização ocorre de forma mais controlada.
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Gabarito explicado
Resposta correta: alternativa a) A hipótese do engenheiro está incorreta; o diagrama mostra que a linha de equilíbrio sólido-líquido tem inclinação positiva, significando que um aumento de pressão, na verdade, eleva a temperatura de congelamento.
A alternativa a) está correta.
A principal diferença entre o diagrama de fases do benzeno e o da água é a inclinação da linha de equilíbrio sólido-líquido.
No benzeno (e na maioria das substâncias), essa linha tem inclinação positiva. Isso significa que, para uma maior pressão, é necessária uma maior temperatura para que a fusão ocorra (ou seja, o ponto de congelamento aumenta com a pressão).
A hipótese do engenheiro foi baseada em uma analogia incorreta com a água, que tem uma linha de equilíbrio sólido-líquido com inclinação negativa.
Observe o diagrama de fases da água:
As linhas de separação de fase sólido-líquido da água e do benzeno possuem inclinações opostas.
Portanto, aplicar pressão tornaria o congelamento mais difícil, não mais fácil.
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Questão 4
Um alpinista, ao acampar no cume do Pico da Neblina, a quase 3.000 metros de altitude, percebe um fenômeno curioso ao tentar cozinhar macarrão.
Ele nota que a água em sua panela ferve muito mais rápido do que ao nível do mar. No entanto, mesmo após deixar o macarrão cozinhando por mais tempo que o usual, a massa continua dura.
Para entender o ocorrido, ele consulta um manual de montanhismo que apresenta um diagrama de fases simplificado da água, mostrando a temperatura de ebulição em diferentes pressões atmosféricas.
A pressão no cume é de aproximadamente 0,7 atm ou 532 mmHg.
Qual alternativa, com base no diagrama de fases da água, explica corretamente a dificuldade do alpinista?
a) A menor pressão atmosférica (0,7 atm) dificulta a transferência de calor do fogo para a panela, fazendo a água ferver apenas superficialmente.
b) Em altitudes elevadas, a água evapora mais facilmente, mas não consegue atingir a temperatura de ebulição (100°C) necessária para o cozimento.
c) Quando a pressão é de 0,7 atm, a água entra em ebulição aproximadamente a 90°C, ou seja, em uma temperatura mais baixa do que os 100°C do nível do mar, sendo insuficiente para cozinhar o macarrão no tempo normal.
d) A baixa pressão faz com que a água ferva a uma temperatura superior a 100°C, mas o ar rarefeito dissipa o calor rapidamente, impedindo o cozimento.
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Gabarito explicado
Resposta correta: alternativa c) Quando a pressão é de 0,7 atm, a água entra em ebulição aproximadamente a 90°C, ou seja, em uma temperatura mais baixa do que os 100°C do nível do mar, sendo insuficiente para cozinhar o macarrão no tempo normal.
A alternativa c) oferece a explicação correta e completa.
O gráfico mostra que, ao diminuir a pressão (de 1 atm para 0,7 atm), a temperatura na qual a água ferve também diminui (de 100°C para 90°C).
Embora a água esteja fervendo (mudando de fase), ela o faz a uma temperatura mais baixa.
Muitos processos químicos do cozimento, como a gelatinização do amido no macarrão, dependem de uma temperatura próxima a 100°C para ocorrerem de forma eficiente.
A 90°C, esse processo é muito mais lento, resultando em um macarrão que parece não cozinhar direito.
Questão 5
A liofilização, ou secagem a frio, é um processo de desidratação sofisticado usado para preservar alimentos perecíveis, como frutas para cereais matinais, café solúvel e até mesmo vacinas.
O processo consiste em congelar o produto e, em seguida, submetê-lo a um vácuo intenso.
Nessas condições, o gelo contido no produto não derrete, mas sublima, passando diretamente do estado sólido para o gasoso, preservando a estrutura, o sabor e os nutrientes do material original.
O diagrama de fases da água, substância majoritária na maioria dos alimentos, é fundamental para entender a liofilização.
Onde 0 representa o ponto triplo da água. O gráfico mostra os valores de temperatura e pressão que possibilitam a presença concomitante dos três estados da água, a saber: sólido, líquido e gasoso.
Para que o processo de liofilização ocorra com sucesso, a amostra congelada deve ser submetida a uma trajetória de mudança de estado que corresponde a qual das seguintes opções?
a) Aumentar a pressão para acima de 1 atm e aquecer a amostra, forçando a fusão do gelo antes da evaporação.
b) Levar a amostra exatamente às condições do Ponto Triplo (0.006 atm e 0.01°C), onde as três fases coexistem em equilíbrio.
c) Manter a pressão em 1 atm e aquecer a amostra de -10°C até 20°C, permitindo que o gelo derreta e a água evapore naturalmente.
d) Reduzir a pressão para um valor abaixo do Ponto Triplo e, em seguida, aquecer suavemente a amostra, mantendo a baixa pressão.
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Gabarito explicado
Resposta correta: alternativa d) Reduzir a pressão para um valor abaixo do Ponto Triplo e, em seguida, aquecer suavemente a amostra, mantendo a baixa pressão.
A alternativa d) descreve perfeitamente o processo de liofilização.
Para que ocorra a sublimação (passagem direta de sólido para gás), é necessário evitar a fase líquida.
Olhando para o diagrama, a única maneira de passar da região "SÓLIDO" para a região "GÁS" sem cruzar a região "LÍQUIDO" é operando a uma pressão inferior à do Ponto Triplo (0.006 atm).
O processo consiste em congelar o material (iniciando na região "SÓLIDO") e depois reduzir a pressão para abaixo de 0.006 atm.
Em seguida, um leve aquecimento fornece a energia necessária para que as moléculas de água sublimem, sendo removidas na forma de vapor.
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Questão 6
A indústria alimentícia moderna utiliza dióxido de carbono (CO₂) em estado supercrítico para descafeinar grãos de café.
Um fluido supercrítico é um estado da matéria que existe acima de sua temperatura e pressão críticas, exibindo propriedades intermediárias entre um líquido (dissolve substâncias como um solvente) e um gás (preenche o recipiente e penetra nos sólidos).
Esse método é vantajoso por ser seletivo, removendo a cafeína sem extrair os compostos que dão sabor e aroma ao café.
O diagrama de fases simplificado do dióxido de carbono é mostrado abaixo:
Com base no diagrama e na descrição do processo, qual conjunto de condições (pressão e temperatura) seria adequado para realizar a descafeinação supercrítica do café?
a) P = 1 atm e T = -78°C
b)  P = 60 atm e T = 0°C
c) P = 100 atm e T = 40°C
d)  P = 10 atm e T = 50°C
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Gabarito explicado
Resposta correta: alternativa c) P = 100 atm e T = 40°C.
A alternativa c) está correta pois o estado de fluido supercrítico, necessário para o processo, só é alcançado quando a substância está acima de sua pressão e temperatura críticas.
Pelo diagrama, o ponto crítico (PC) do CO₂ está em P ≈ 73 atm e T ≈ 31°C.
A condição de 100 atm e 40°C é a única que satisfaz ambos os critérios, estando localizada na região do fluido supercrítico.
As outras alternativas representam:
a) ponto de sublimação em pressão atmosférica (gelo seco);
b) o estado líquido;
d) o estado gasoso.
Questão 7
Os supercondutores, materiais que conduzem eletricidade sem resistência, precisam ser resfriados a temperaturas extremamente baixas.
Em máquinas de ressonância magnética (MRI), isso é feito imergindo os ímãs supercondutores em hélio líquido.
O hélio é a única substância que permanece líquida até o zero absoluto (0 K) em pressão atmosférica, uma propriedade quântica única.
Um técnico de manutenção de um hospital está analisando o diagrama de fases do hélio para entender os protocolos de segurança e reabastecimento do sistema de refrigeração da máquina de MRI.
Com base na análise do diagrama de fases do hélio, qual conclusão é correta sobre o comportamento desta substância?
a) A máquina de MRI deve operar a uma pressão abaixo de 1 atm para garantir que o hélio permaneça no estado líquido e não evapore.
b) Semelhante à água, para solidificar o hélio é suficiente resfriá-lo a uma temperatura próxima de 0 K, mantendo a pressão atmosférica constante.
c) A fase superfluida (Líquido I) é menos densa que a fase líquida normal (Líquido II), explicando por que ela ocorre em temperaturas mais baixas.
d) Para transformar hélio líquido em hélio sólido, é necessário não apenas resfriá-lo, mas também submetê-lo a uma pressão superior a 25 atm ou 2530 kPa.
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Gabarito explicado
Resposta correta: alternativa d) Para transformar hélio líquido em hélio sólido, é necessário não apenas resfriá-lo, mas também submetê-lo a uma pressão superior a 25 atmou 2530 kPa.
A alternativa d) está correta e é a conclusão mais importante que se pode tirar do diagrama.
A linha de equilíbrio entre as fases sólida e líquida só começa em uma pressão de aproximadamente 25 atm que é igual a 2530 kPa.
Isso significa que, em pressões mais baixas (como a atmosférica, 1 atm), o hélio nunca solidifica, não importa o quão baixa seja a temperatura.
Para obter hélio sólido, é obrigatório aplicar uma pressão muito alta.
As outras alternativas estão incorretas:
a) a 1 atm o hélio ferve a 4.2 K, então é preciso mantê-lo abaixo dessa temperatura;
b) é o oposto do que o gráfico mostra;
c) as temperaturas das fases superfluida e líquida normal estão ao contrário.
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Professora de Ciências e de Física da Educação Básica e do Ensino Superior, tendo iniciado a docência em 1990. Bacharel em Física, Mestre e Doutora em Biofísica e PhD em Biologia Estrutura - Universidade de São Paulo, USP.
Como citar?
SOUTO, Ana
.
Exercícios sobre diagramas de fases (com gabarito explicado).
Toda Matéria
,
[s.d.]
.  Disponível em: https://www.todamateria.com.br/exercicios-sobre-diagramas-de-fases-com-gabarito-explicado/. Acesso em:
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