Questão 17 (2º dia) da 2ª fase da UNICAMP 2015
Água potável pode ser obtida a partir da água do mar basicamente através de três processos. Um desses processos é a osmose reversa; os outros dois envolvem mudanças de fases da água. No processo denominado MSFD, a água do mar é aquecida, vaporizada e em seguida liquefeita. No outro, denominado FM, a água do mar é resfriada, solidificada e em seguida fundida. Nesses dois processos, a água líquida passa para outro estado de agregação e dessa forma se separa dos solutos presentes na água do mar.
a) Considere a afirmação: “Os processos industriais MSFD e FM são análogos a fenômenos naturais ao promoverem a separação e purificação da água; no entanto, nos processos MSFD e FM essa purificação necessita de energia, enquanto nos fenômenos naturais essa energia não é necessária”. Responda inicialmente se concorda totalmente, concorda parcialmente ou discorda totalmente e só depois justifique sua escolha.
b) Suponha que uma mesma quantidade de água dessalinizada fosse obtida por esses dois processos industriais até a primeira mudança de fase, a partir de água do mar a 25 °C. Em qual dos dois processos, MSFD ou FM, a quantidade de energia envolvida seria maior? Justifique sua resposta.
Dados: \ce{H2O(\ell) -> H2O(s)}; \Delta\text{Hfus} = - 6\text{ kJ mol}^{-1} ; \ce{H2O(\ell) -> H2O(g)}; \Delta\text{Hvap} = 42\text{ kJ mol}^{-1}.
Considerar que os processos MSFD e FM se baseiam nas transições de fases da água pura, em condições padrão, e que o calor específico da água do mar é constante em toda a faixa de temperatura.
Reportar erro na questão
Resolução comentada
Resolução comentada
a) Concordo parcialmente.
A primeira parte da frase está certa. O MSFD é análogo ao ciclo natural da chuva: a água do mar evapora, deixando os sais para trás, e o vapor condensa como água doce. O FM é análogo à formação de gelo nos mares polares, que é praticamente água pura, sem os sais.
O erro está na segunda parte. Os fenômenos naturais também precisam de energia. A evaporação da água é endotérmica (\Delta H_{vap} = +42\ \text{kJ mol}^{-1}), e essa energia vem da radiação solar. O congelamento é exotérmico e só ocorre quando o ambiente retira calor da água, em regiões muito frias. A diferença é que, na natureza, a energia vem de fontes naturais, como o Sol e o frio polar. Na indústria, ela é fornecida por fontes artificiais, o que gera custo.
Concordo parcialmente.
b) Até a primeira mudança de fase, cada processo envolve duas etapas, e a energia total é a soma delas.
- MSFD: aquece a água do mar de 25\ ^\circ\text{C} até 100\ ^\circ\text{C} (\Delta T = 75\ ^\circ\text{C}), com q = m\,c\,\Delta T. Depois vaporiza, absorvendo 42\ \text{kJ mol}^{-1}.
- FM: resfria a água de 25\ ^\circ\text{C} até 0\ ^\circ\text{C} (\Delta T = 25\ ^\circ\text{C}). Depois solidifica, liberando 6\ \text{kJ mol}^{-1}.
Para a mesma quantidade de água e o mesmo calor específico, o MSFD tem as duas parcelas maiores:
- a variação de temperatura é três vezes maior (75 contra 25\ ^\circ\text{C});
- a entalpia da mudança de fase é bem maior (42 contra 6\ \text{kJ mol}^{-1}, em módulo).
Como ordem de grandeza, tomando c \approx 75\ \text{J mol}^{-1}\ ^\circ\text{C}^{-1} para a água, o MSFD envolve cerca de 5{,}6 + 42 \approx 48\ \text{kJ mol}^{-1}. O FM envolve cerca de 1{,}9 + 6 \approx 8\ \text{kJ mol}^{-1}.
A maior quantidade de energia é envolvida no processo MSFD.
Assuntos: mudanças de estado físico, entalpia de vaporização e fusão, calor sensível e latente.
Reportar erro na resolução
Ver como caiu na prova
