Alteração da matéria do seu estado líquido para o estado sólido
Solidificação é a mudança física do estado líquido para o estado sólido. Para que ocorra essa transformação, a matéria deve estar submetida a uma pressão específica, na qual libere calor (transformação exotérmica) até atingir uma temperatura exata. No estado sólido as moléculas ficam mais juntas por conta da vibração dos átomos. À medida que perde calor e alcança um valor determinado de temperatura, denominado ponto de solidificação ou fusão, o material consegue solidificar. No processo de mudança de fase a temperatura de uma substância pura se mantém constante.
O gelo é uma representação do estado de solidificação. (Foto: Public Domain Picturs)
O chamado Ponto de Solidificação
O ponto de solidificação é a temperatura na qual a substância deve alcançar para poder se transformar em sólido. Essa temperatura está associada ao valor da pressão que a matéria está submetida. Na maioria das substâncias, o ponto de fusão e de solidificação são bem parecidos.
No caso do elemento mercúrio, por exemplo, os pontos de fusão e de congelamento são 234.32 K. Porém, certas substâncias têm temperaturas de transição sólido para líquido distintas.
Termodinâmica da solidificação
O calor liberado no processo de troca de fases vai depender da massa da substância que será solidificada, bem como o calor latente, que oscila conforme cada substância e suas características específicas.
Q = mL
‘Q’ representa o calor cedido, ‘m’ 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 conhecer a exata quantidade de massa de uma substância, é possível calcular o calor necessário para que ocorra a solidificação. Para a transformação física do estado líquido para o estado sólido, 1g de água deve perder 80cal. O mesmo acontece quando ela derrete, 1g de gelo precisa ganhar 80cal.
Se a água, por exemplo, estiver na temperatura de 100°C, cada unidade de massa necessita de 540cal para atingir a fase gasosa, e cada grama de vapor precisa perder 540cal para passar à fase líquida.
Outras substâncias, além da água, também apresentam valores estabelecidos de quantidade de calor que a cada 1g de substância precisa ganhar ou perder para entrar no processo de solidificação. O calor latente, contudo, provoca a 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
A água se comporta termicamente diferente das outras substâncias líquidas. Ao aquecê-la em uma certa quantidade a 0 °C até a temperatura de 100 °C, é possível observar que no intervalo entre 0 °C a 4 °C o seu volume diminui, visto que o nível de água no recipiente fica menor, ocorrendo, portanto, uma contração. Ao chegar na temperatura de 4 °C, ainda no processo de aquecimento, o nível da água começa a subir, logo, há um aumento de volume chamado de dilatação. Pode-se concluir que a água manifesta um comportamento diferente, ao ser aquecida na temperatura entre 0 °C a 4 °C.
A razão pela qual ocorre a dilatação anômala da água é devida a sua composição molecular. As partículas de água se juntam por meio de ligações químicas chamadas de ligações de hidrogênio.
O comportamento excepcional da água explica por qual razão alguns lagos acabam congelando na superfície, mas se mantém com água líquida no fundo. Quando a temperatura ambiente cai, a água se resfria por meio de convecção, ou seja, a água que está na superfície, por ser mais fria, desce, uma vez que sua densidade é maior. Logo, a água que está no fundo, por ser quente, acaba subindo.
Curiosidade
Além do exemplo mais básico do cotidiano que é o gelo em sua forma solidificada, é possível encontrar outras aplicações de solidificação nos processos industriais, realizados em metais. É comum que um metal seja exposto a uma temperatura alta para fundir-se e ser moldado. Isso significa que, ao diminuir a temperatura, ocorre a solidificação do metal.