Sobrefusão

Definição de Sobrefusão

Sobrefusão é o fenômeno em que um líquido perma-nece nesse estado a uma temperatura inferior à de solidificação, para a correspondente pressão.

Esse fenômeno pode ocorrer quando um líquido cede calor lentamente, sem que sofra agitação. Agitado, parte dolíquido solidifica, liberando calor para o restante, atéque o equilíbrio térmico seja atingido à temperatura de solidificação para a respectiva pressão

Definição de Superfusão

Fenômeno pelo qual um composto permanece líquido a uma temperatura inferior à sua temperatura de fusão.

A superfusão ocorre quando uma substancia esta no estado líquido e em uma temperatura baixa.

O que é

Sobrefusão ou superfusão

É o fenômeno no qual um líquido é mantido em seu estado de agregação em uma temperatura inferior ao seu ponto de solidificação.

É o fenômeno no qual um líquido é mantido em seu estado de agregação em uma temperatura inferior ao seu ponto de solidificação.

Algumas moléculas não conseguem se posicionar e a substância permanece no estado líquido mesmo estando abaixo da temperatura de fusão.

Qualquer perturbação no sistema gera energia suficiente para que as moléculas se organizem e a substância mude para o estado sólido.

Superfusão

É possível, resfriando certos líquidos ao abrigo de qualquer agitação, mantê-los em temperaturas inferiores à do ponto de solidificação, sem que esta se realize. A água, o enxofre e o fósforo são corpos que apresentam, com maior freqüência, este fenômeno a que se denomina superfusão. Submetendo, porém, o líquido a leve abalo, ou deixando cair nele partícula do corpo solidificado, produz-se subitamente a solidificação em toda a massa, elevando-se imediatamente a temperatura ao ponto de solidificação.

Gay-Lussac, resfriando água com certas precauções, conseguiu mantê-la líquida à temperatura inferior a -12ºC, tendo bastado um leve abalo para congelar o líquido e elevar-se subitamente a temperatura a 0ºC. O enxofre, com certos cuidados, pode ser submetido a 15ºC de temperatura sem passar para o estado sólido, embora seu ponto de fusão seja igual a 115ºC. Do mesmo modo, o fósforo, cujo ponto de fusão é 44ºC, pode ser mantido no estado líquido numa temperatura de -5ºC.

O fenômeno da superfusão pode ser aproveitado na determinação do ponto de fusão dos corpos. Depois de introduzir um termômetro no líquido, resfriando-o cuidadosamente a uma temperatura mais baixa do que a que representa o seu provável ponto de fusão. Colocando, em seguida, uma partícula sólida do mesmo material no líquido superfundido, cessa bruscamente a superfusão, o líquido solidifica-se e o termômetro sobe imediatamente, indicando a temperatura que é o ponto de solidificação do material.

A cerveja que congela

Um exemplo de superfusão que pode ser encontrado no cotidiano é o da cerveja que ao ser tirada do congelador ainda líquida, se congela ao contato com a mão.

A cerveja recebe em sua fabricação a adição de gás carbônico (CO₂), que aumenta a pressão dentro da garrafa. A pressão e as baixas temperaturas fazem com que uma quantidade maior de gás carbônico permaneça no líquido. Em certas temperaturas pouco abaixo de zero graus Celsius, essa mistura em estado bastante instável (em sobrefusão), em que uma pequena alteração na temperatura basta para congelá-la.

Quando seguramos a garrafa pelo bojo, causamos um desiquilíbrio em seu interior, O calor de nossas mãos faz com que mais gás carbônico dissolvido na cerveja passe do estado líquido para o estado gasoso, sendo liberado. Isso reduz ainda mais a temperatura do líquido que acaba congelando.

Quando, porém, seguramos a garrafa pelo gargalo, a alteração é mínima e a cerveja permanece líquida.

Por que devemos pegar uma garrafa de cerveja pela parte mais fina para ela congelar?

Um líquido pode ser resfriado abaixo do seu ponto de solidificação sem efetivamente solidificar, cristalizar. Essa possibilidade é denominada de superfusão.

Por exemplo, se a água por lentamente resfriada, pode-se chegar a temperaturas muito inferiores a zero graus Celsius com a água ainda no estado líquido. No meu artigo, referido abaixo, poderás ver tiossulfato de sódio em estado superfundido, isto é liquido a 37 graus Celsius quando a sua temperatura de solidificação é cerca de 47 graus Celsius. Quando um líquido superfundido é perturbado, ele imediatamente congela.

Ora, a cerveja muito gelada pode estar superfundida. Se tal acontecer, ao perturbá-la, seja no ato de pegar a garrafa, ou seja depois, quando a garrafa é aberta e a cerveja é vertida em um copo, ela congelará. Ou seja, se pegares uma garrafa de cerveja superfundida com cuidado, pelo gargalo poderá que ela não congele.

Mas se realmente estiver superfundida, parte da cerveja congelará ao abrir a garrafa e servir a cerveja.

Superfusão: substância no estado liquido abaixo do ponto de solidificação!

A água e outras substâncias podem se apresentar no estado líquido apesar de a temperatura ser inferior à temperatura do seu ponto de solidificação. Este fenômeno é denominado de SUPERFUSÃO, SOBREFUSÃO ou SUPER RESFRIAMENTO.

Água, na pressão de 1 atm, pode ser levada até cerca de -48^oC sem cristalizar.

O estado SUPERFUNDIDO é dito METAESTÁVEL pois se perturbado suficientemente, seja pela introdução de um pequeno cristal da substância na massa líquida, seja por vibração mecânica da massa líquida, se deflagra a cristlização. Em pouco tempo aparecem dentro da massa da substância uma grande quantidade de cristais.

Experimentos de SUPERFUSÃO da água em laboratórios didáticos de Física Geral são difíceis de serem realizados. Entretanto há substâncias, que por terem ponto de fusão ou solidificação na faixa de 40 a 70^oC, são adequadas a tais experimentos. Uma dessas substâncias, facilmente encontrada em casas especializadas em Química, é o tiossulfato de sódio.

O tiossulfato de sódio é um cristal branco (semelhante ao gelo) na temperatura ambiente. Seu ponto de fusão se encontra em torno de 47^oC . Em um tubo de ensaio em banho maria é possível se aquecer o tiossulfato e fundi-lo completmente, determinando neste processo de aquecimento o ponto de fusão com auxílio de um termômetro no interior do tubo. Depois se retira o tubo do banho maria e se deixa arrefecer lentamente, utilizando-se o termômetro para monitorar a temperatura do líquido.

Neste processo de resfriamento lento, apenas por trocar energia com ambiente no entorno, observa-se, surpreendentemente, que a temperatura do tiossulfato desceu muitos graus abaixo do seu ponto de solidificação (47^oC ) sem solidificar. Ou seja, o tiossulfato encontrava-se no estado metaestável de SUPERFUSÃO.

A foto superior da imagem abaixo mostra o tiossulfato líquido a 37^oC, portando 10^oC abaixo do seu ponto solidificação e e ainda liquido, SUPERFUNDIDO portanto.

A foto inferior, tirada apenas alguns segundos depois da foto superior, já mostra o tiossulfato parcialmente sólido. No intervalo entre as duas fotos uma forte agitação com a ponteira do termômetro foi produzida para destruir o estado metaestável de SUPERFUSÃO. Além de observar a cristalização, o que me  mais me surpreeendeu e marcou, quando com 16 anos de idade realizei este experimento pela primeira vez (como aluno do saudoso Prof. Ernest Sporket no Colégio Sinodal em São Leopoldo), foi a súbita elevação da temperatura que acompanhou a cristalização, passando de  37^oC para 47^oC. A surpresa se deveu porque não havia dúvida de que a massa de tiossulfato NÃO recebeu energia (calor) nesta rapidíssima (portanto adiabática) transição de fase. Notoriamente o tiossulfato estava perdendo energia para o ambiente já que estava em temperatura bem superior a do ambiente e subiu mais ainda no processo de cristalização.

Apresento abaixo a evolução temporal da temperatura do tiossulfato no tubo de ensaio. Até atingir a temperatura de cerca de 73^oC mantive o tubo de ensaio em banho maria, monitorando a temperatura do banho com outro termômetro, lentamente a elevando com auxílio de um aquecedor elétrico que era ligado e desligado. A temperatura do banho maria sempre foi mantida não mais de 10^oC acima da temperatura do tiossulfato. Depois de atingir a máxima temperatura registrada no gráfico, o tubo de ensaio foi retirado do banho maria, colocando-o no receptáculo de plástico que se vê nas fotos. O arrefecimento aconteceu então apenas por cedência de energia para o ambiente no entorno (como era inverno a temperatura no laboratório se encontrava em cerca de 18^oC).

Observa-se no gráfico acima os patamares de temperatura constante, característicos das transições de fase. Inicialmente, aos 7 min, a FUSÃO do tiossulfato e depois de 44 min a SOLIDIFICAÇÃO ou CRISTALIZAÇÃO. Identificados em vermelho econtram-se os pontos relativos ao tiossulfato em estado de SUPERFUSÃO (entre 31 min e 44 min). Aos 44 min aconteceu a  “tremenda e surpreendente” elevação quase instantânea da temperatura, passando de cerca de 37^oC para 47^oC, característica da destruição do estado de SUPERFUSÃO.

Muitos apreciadores de cerveja já tiveram a experiência de encontrá-la SUPERFUNDIDA. Alás, tal ocorrência é indesejável pois “estraga” a cerveja quando cristaliza. Entretanto o que poucos bebedores de cerveja sabem é que quando ela cristaliza há uma súbita e indesejável elevação da temperatura!

Fonte: www.cdscaico.com.br/br.geocities.com/www.if.ufrgs.br