Solidificação é a passagem do estado líquido para o estado sólido. Para que essa mudança ocorra o material deve estar submetido a uma determinada pressão de forma que perca calor até alcançar uma dada temperatura.
Uma substância no estado líquido tem suas moléculas mais afastadas umas das outras. Dessa forma, seu grau de vibração e temperatura são maiores em comparação com o estado sólido.
A medida que perde calor e alcança um valor determinado de sua temperatura denominado de ponto de solidificação, o material consegue se solidificar. Durante essas transformações, a temperatura de uma substância pura se mantém constante.
O exemplo mais comum de solidificação é o congelamento da água. Ao colocar a água em um recipiente no congelador, ela se transformará em gelo. Dessa forma, a diminuição da temperatura faz com que a água se solidifique. O ponto de congelamento de uma substância pura é geralmente maior que uma substância impura.
Termodinâmica da solidificação
A passagem para o estado sólido ocorre com a retirada de uma quantidade de calor da substância. Esse calor que é liberado no processo depende da substância que irá solidificar e de uma característica específica de cada material, que é o calor latente de solidificação:
Q = mL
‘Q’ se refere ao calor cedido, ‘m’ é a massa e ‘L’ calor latente de solidificação. No Sistema Internacional de Unidades (SI), o calor é medido em joules (cal), a massa em quilogramas (g) e o calor latente em joules por quilograma (cal/g).
Calor latente
Ao saber a quantidade de massa de uma substância, pode-se calcular a quantidade de calor que será necessário perder para que o corpo se solidifique e mude de estado físico.
Deve-se conhecer, sobretudo, o valor do calor latente de solidificação de cada substância. Por exemplo, a água se solidifica quando seu calor latente está a -80 cal/g. O mesmo ocorre para o seu derretimento, 1g de gelo precisa ganhar 80cal.
Se a água estiver a 100°C, cada unidade de massa precisa de 540 cal para chegar até a fase gasosa, e cada grama de vapor precisa perder 540 cal para passar para a fase líquida.
Além da água, outras substâncias também apresentam valores determinados de quantidade de calor que precisa ganhar ou perder para passar de fase.
Atenção! O calor latente provoca apenas uma mudança de fase da substância, sem mudar sua temperatura.
Calor latente de algumas substâncias:
| Substância | Calor latente de solidificação (cal/g) |
| álcool | – 25 |
| alumínio | – 95 |
| cloreto de sódio | – 124 |
| cobre | – 49 |
| chumbo | – 6 |
| enxofre | – 119 |
| estanho | – 14 |
| ferro | – 64 |
| hidrogênio | – 14 |
| mercúrio | – 2,7 |
| nitrogênio | – 6,1 |
| ouro | – 15 |
| oxigênio | 3,3 |
| prata | – 21 |
| zinco | – 24 |
Comportamento anômalo da água
As substâncias, com exceção da água, diminuem seu volume ao se solidificarem. Quando aquecida nos intervalos de 0 e 4º C, a água sofre contração e depois dilata. Em seu estado sólido, a água possui volume maior do que no estado líquido nesse intervalo de temperatura.
Isso pode ser visto na patinação de gelo: por ter baixa área de contato com o gelo, as placas dos patins aumentam a pressão no local e liquefaz o gelo, o que garante um melhor deslizamento na pista. Quando o patinador passa, a pressão se restabelece e a água volta a se solidificar. A esse processo dá-se o nome de regelo.
Outro exemplo é colocar o leite no congelador de forma que ele solidifique. Seu volume expande 10%.
Veja abaixo o comportamento irregular da água:
A razão para a dilatação anômala da água se explica por sua composição molecular. As partículas da água se unem por meio de ligações químicas chamadas de ligações de hidrogênio.
A temperatura da água quando aumenta além de 0ºC faz com que as ligações de hidrogênio se rompam, provocando uma proximidade entre as moléculas. Quando a temperatura excede os 4ºC, cai o número de ligações de hidrogênio. A partir daí prevalece o afastamento das moléculas, ocasionando o aumento de seu volume.
Curiosidade
A maioria dos metais já se encontram no estado sólido e se liquidificam em temperaturas muito altas, com exceção do mercúrio, que é um metal e seu estado natural é o liquido.