O que ocorre quando colocamos uma pedra de gelo em um copo com água?

Já observou que ao colocarmos o gelo em um copo com água ele flutua, enquanto que em um copo com bebida alcoólica, como o uísque, ele afunda? Por que isso ocorre?

Bem, isso é explicado pela densidade dessas substâncias. Densidade é a medida da massa de uma substância pelo volume ocupado por ela:

Se a densidade de determinada substância for maior, ela irá afundar na que tem menor densidade e vice-versa. A densidade da água é 1,0 g/mL, do gelo é 0,9 g/mL e do álcool é 0,7 g/mL. Dessa forma, entre o gelo e a água, o gelo tem menor densidade, por isso ele flutua. No entanto, entre o gelo e o álcool, o gelo é mais denso, por isso ele afunda.

Note que o gelo não fica totalmente em cima da água. Visto que sua densidade é 0,9 g/mL e da água é 1,0 g/mL, isso quer dizer que 90% do gelo fica debaixo da água e apenas 10% dele fica acima da superfície do líquido. Isso pode ser visto nos icebergs, que parecem ser grandes acima da superfície; no entanto, a maior parte deles está encoberta pela água.

Entretanto, surge outra pergunta:

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As substâncias costumam ser mais densas no estado sólido do que no estado líquido, pois suas partículas ficam mais agrupadas; então por que a água contraria essa regra?

Isso se dá em razão do tipo de força intermolecular que existe entre as moléculas de água, que é a ligação de hidrogênio. A ligação de hidrogênio na água ocorre porque ela é polar, ou seja, apresenta dipolos elétricos entre seus átomos. O oxigênio é mais eletronegativo, por isso ele adquire uma carga parcial negativa (δ-), enquanto os hidrogênios possuem uma carga parcial positiva (δ+).

Por isso as suas moléculas se atraem: os hidrogênios são atraídos pelos átomos de oxigênio das moléculas vizinhas, conforme é possível visualizar na figura abaixo:

Na água líquida, as moléculas ficam dipostas tridimensionalmente, porém de modo mais espalhado. Já no gelo, essas moléculas ficam mais rígidas, de forma cristalina com espaços vazios, causados pelas ligações de hidrogênio. Esses espaços vazios são os responsáveis pela diminuição da densidade do gelo e, por isso, ele flutua na água.

Mudanças de estado físico da matéria

(UTFPR) Um pouco de água a 20 ºC  foi colocado em um copo contendo uma pedra de gelo. Pode-se afirmar que:

a) com o tempo o gelo resfria a água a 0 ºC e ele não derrete no processo.
b) a água aquece o gelo a 20 ºC derretendo-o no processo, sem que a água se resfrie.
c) enquanto a água e o gelo estão juntos no copo, o gelo derrete e a água se resfria em uma temperatura de 0 ºC.
d) o contato da água com o gelo força a água a se congelar a 20 ºC.
e) o contato da água com o gelo força o gelo a se congelar a 0º C.

Última edição por Jessie em Dom 07 Abr 2019, 14:54, editado 1 vez(es)

Re: Mudanças de estado físico da matéria

A alternativa a) não faz sentido. A água, ao resfriar, fornece calor ao gelo (o calor flui da temperatura mais quente para a temperatura menos quente), logo, o mesmo naturalmente derreterá.

Quanto a alternativa b), a ideia é semelhante a do item a). Não faz sentido a água não resfriar já que há trocas de calor no sistema.

A alternativa c) é a que faz mais sentido (até mesmo por exclusão).

As letras d) e e) você as exclui por falta de dados (não foram dados os calores latentes de fusão do gelo e nem o calor latente de solidificação da água ou as trocas de calor entre o gelo e a água.).

Última edição por Giovana Martins em Sab 06 Abr 2019, 20:48, editado 1 vez(es)

Re: Mudanças de estado físico da matéria

A água vai atingir 0 ºC e o gelo derreter. Então quando a água chegar a 0 ºC vai virar gelo e dessa forma o processo vai se repetir e sempre haverá gelo no copo??  

Re: Mudanças de estado físico da matéria

"A água vai atingir 0 ºC e o gelo derreter. Então quando a água chegar a 0 ºC vai virar gelo e dessa forma o processo vai se repetir e sempre haverá gelo no copo??"

Não é possível saber se vai derreter ou não (não temos dados suficientes para concluir isso). Você pode muito bem levar a água até a temperatura de 0 °C e ela ainda assim não atingir o estado sólido. Para a água atingir o estado sólido é necessário oferecermos uma energia equivalente ao calor latente (de transformação) de solidificação da água no recipiente.

Calor latente: calor que uma determinada substância deve receber ou ceder para mudar de fase.

Isso fica fácil de ver em um diagrama temperatura x calor.

As retas constantes indicam os processos de mudança de fase enquanto as retas crescentes indicam a variação da temperatura conforme acrescentamos calor ao sistema.

Re: Mudanças de estado físico da matéria

Jessie escreveu:A água vai atingir 0 ºC e o gelo derreter. Então quando a água chegar a 0 ºC vai virar gelo e dessa forma o processo vai se repetir e sempre haverá gelo no copo??  

Com licença, mas agora me veio uma dúvida junto com a sua.
Se isso acontecesse, iria contradizer a segunda lei da termodinâmica, não? ou será que não tem nada a ver?

Re: Mudanças de estado físico da matéria

Giovana Martins escreveu:Não é possível saber se vai derreter ou não...

Não é possível dizer que o gelo vai derreter quando colocarmos água a 20 ºC ? Mas alternativa c diz exatamente isso "o gelo derrete e a água se resfria".

Re: Mudanças de estado físico da matéria

Olá, se me permitem tentar ajudar:

a) Como a Giovana já explicou, essa alternativa não pode ser, ela afirma que o gelo não derrete no processo, mas para a água chegar a 0° é necessário que pelo menos uma pequena parte dele derreta.
b) Para isso ocorrer, é necessário ter uma massa de água extremamente grande em relação a de gelo, que a variação de temperatura dela pudesse ser desconsiderada, mas o enunciado informa que há um "pouco" de água, invalidando essa possibilidade.
c) Isso é o mais provável de acontecer, o calor necessário para cada grama de gelo virar água é 79,5 cal, e como a questão informa que temos apenas um pouco de água, imagine por exemplo: O copo com uma pedra de gelo de 5 gramas e contendo 15 gramas de água a 20°C, essa quantidade de água não iria adiantar, o gelo necessita de bem mais energia para passar de fase do que a água precisa para abaixar a temperatura, então uma parte do gelo derrete e a água estabiliza em 0°C. (Creio que seja isso que a questão quer que você interprete, para uma substância mudar de estado, é necessário muito mais energia do que para abaixar/aumentar sua temperatura em um estado fixo).
d) "força a água a se congelar a 20º C", não tem sentido, a água não congela nessa temperatura.
e) "força o gelo a se congelar", não tem sentido também, se já é gelo, não tem como congelar novamente.

Re: Mudanças de estado físico da matéria

Jessie escreveu:

Giovana Martins escreveu:Não é possível saber se vai derreter ou não...

Não é possível dizer que o gelo vai derreter quando colocarmos água a 20 ºC ? Mas alternativa c diz exatamente isso "o gelo derrete e a água se resfria".

Tudo o que eu queria dizer, foi muito bem resumido pelo colega Leonardo. Para resolver a questão eu não me baseei na resposta correta (alternativa C), mas sim nas que eram incorretas, pois a alternativa C supõe algo que não temos como saber se vai ou não ocorrer (embora seja bem viável a ocorrência), enquanto é fácil perceber que as outras alternativas estão incorretas.

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