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Em um local ao nível do mar, um bloco metálico, a 50 oC, foi colocado no interior de um calorímetro contendo certa massa de gelo a –10 oC. Quando o sistema atingiu o equilíbrio térmico, observou-se que no interior do calorímetro havia água no estado líquido, gelo e o bloco metálico. A temperatura de equilíbrio desse sistema foi de
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Alternativa (B) - 0,0 oC.
A questão aborda o conceito de equilíbrio térmico e mudanças de fase da matéria, especificamente o derretimento do gelo (fusão da água). Em sistemas isolados, como um calorímetro, o calor é trocado entre os corpos até que todos atinjam a mesma temperatura, conhecida como temperatura de equilíbrio. As mudanças de fase ocorrem a temperaturas específicas e requerem ou liberam uma quantidade de energia chamada calor latente.
Quando diferentes corpos a temperaturas distintas são colocados em um calorímetro (um recipiente termicamente isolado), eles trocam calor entre si até que todos atinjam uma temperatura comum. Esse estado é chamado de equilíbrio térmico. Para substâncias que podem mudar de fase (sólido, líquido, gasoso), como a água, a temperatura de equilíbrio pode coincidir com a temperatura de uma mudança de fase, desde que haja coexistência das duas fases.
A água, em condições de pressão atmosférica normal (como ao nível do mar), apresenta as seguintes temperaturas para suas mudanças de fase:
Durante uma mudança de fase, a temperatura da substância permanece constante, pois toda a energia trocada está sendo utilizada para quebrar ou formar ligações intermoleculares, e não para aumentar ou diminuir a energia cinética média das moléculas. Se, no equilíbrio térmico, ambas as fases (sólido e líquido) de uma substância coexistem, isso significa que a temperatura do sistema deve ser exatamente a temperatura de transição de fase correspondente.
A questão afirma que, após o sistema atingir o equilíbrio térmico, observou-se a presença de "água no estado líquido, gelo e o bloco metálico" dentro do calorímetro. Este é o dado crucial para resolver o problema sem a necessidade de cálculos de calorimetria.
Considerando as alternativas:
Portanto, a única condição que se alinha com a observação de coexistência de água líquida e gelo é uma temperatura de 0,0 °C. O fato de o bloco metálico estar presente não altera o ponto de fusão da água, apenas indica que ele também atingiu essa mesma temperatura de 0 °C.
A chave para resolver esta questão reside na interpretação da observação final do sistema em equilíbrio. A coexistência de gelo (fase sólida) e água (fase líquida) a uma pressão atmosférica normal (nível do mar) é uma indicação inequívoca de que a temperatura do sistema é exatamente o ponto de fusão da água. Independentemente das temperaturas iniciais do bloco metálico e do gelo, se ambos os estados da água estão presentes no equilíbrio, a temperatura é 0 °C.
Alternativa (B).