Gases

Gás – Definição

Gás é o estado da matéria que consiste em partículas que não têm nem um volume determinado nem de forma definida.

Exemplos: ar, o cloro à temperatura e pressão ambiente e o ozônio (O3).

Gases – Química

O gás é um dos quatro estados fundamentais da matéria (sendo os outros sólidos, líquidos e plasma). Um gás puro pode ser feito de átomos individuais (por exemplo, um gás nobre como o néon), moléculas elementares feitos a partir de um tipo de átomo (por exemplo oxigênio), ou moléculas de composto feito a partir de uma variedade de átomos (por exemplo dióxido de carbono).

Uma mistura de gás que contém uma variedade de gases puros bem como o ar. O que distingue um gás a partir de líquidos e de sólidos é a grande separação das partículas de gás individuais. Esta separação faz normalmente um gás incolor invisível para o observador humano.

Gás – O que é

Gás é o vapor de uma substância, que ultrapassou a Temperatura Crítica e ele não condensa.

Os gases têm suas moléculas com uma velocidade muito grande, por isso um gás tende a ocupar todo o espaço que lhe é disponível. Imagine um ambiente como, por exemplo, um elevador com duas pessoas dentro. Uma delas está com um desarranjo intestinal e flatulando muito. Será que a outra pessoa sentirá o odor?

Sim! Depois de um tempo, a segunda pessoa ficará torcendo o nariz, desagradavelmente. Por que? Ora, por que o gás se espalhou por todo o ambiente do elevador, e ele, faz isto, por que suas moléculas têm muita velocidade (alta energia cinética). Podemos dizer, então, com muita segurança, que o volume do gás é o volume do próprio recipiente que o contém.

Falemos um pouco sobre a pressão. O que é a pressão de um gás? Bem… as moléculas estão sempre agitadas no estado gasoso. Ora, se colocarmos um pouco de gás dentro de um recipiente, é de se esperar que uma hora ou outra estas moléculas batam nas paredes do recipiente. Deste choque, surge uma pressão nas paredes que é a pressão do gás.

Resumindo: a pressão de um gás é o resultado da colisão das moléculas do gás contra as paredes do recipiente que o contém.

Pense agora na temperatura e o efeito que ela tem na pressão. Ora, se diminuirmos a temperatura, diminuiremos a energia cinética das moléculas. Com pouca velocidade, as moléculas colidem com menos força nas paredes. O que se espera que aconteça com a pressão? Espera-se que a pressão aumente ou diminua? A resposta é que diminua a pressão. Mas se aumentarmos a temperatura, esperaremos que a pressão aumente, pois a velocidade das moléculas irá aumentar, e colidirão com mais força nas paredes do recipiente.

Falamos sobre Temperatura, Volume e Pressão de um gás. Estas grandezas físicas são chamadas de Variáveis de Estado de um gás. São estas variáveis de estado que são estudadas aqui, nas Transformações Gasosas.

Transformações Gasosas

Os gases podem variar de Temperatura, Pressão e Volume dependendo das mudanças nas Variáveis de Estado.

São quatro transformações básicas:

Isotérmica
Isobárica
Isométrica (ou Isovolumétrica ou ainda Isocórica)
Adiabática

Transformações Isotérmicas

São transformações em que a temperatura permanece constante.Pressão e Volume são inversamente proporcionais.

Quando o peso bate no embolo, há um aumento de pressão e uma redução no volume. Cessada a pressão o embolo volta a sua pressão normal e volume normal. A temperatura não chega a ser alterada porque o processo é rápido.

Transformações Isobáricas

São transformações que ocorrem a pressão constante. O Volume e a Temperatura são diretamente proporcionais.

Quando a chapa circular se aquece ao rubro, ela acaba transferindo calor para o gás dentro do cilindro. As moléculas do gás se agitam mais e colidem mais fortemente com as paredes. Isto causaria um aumento na pressão não é? Mas não causa. Sabe por que?

Porque quando o gás se aquece as moléculas batem no embolo e ele sobe. O aumento de volume acaba normalizando a pressão.

Transformações Isométricas

São transformações com volume constante. A Pressão e a Temperatura são diretamente proporcionais.

Quando as chapas se aquecem liberam calor para o gás dentro do cilindro. As moléculas do gás se agitam mais e acabem colidindo com mais força nas paredes do cilindro e no embolo, que não é móvel. Se o embolo pudesse subir mais, a pressão seria normalizada. Entretanto o embolo é fixo e a pressão só aumenta com o aumento de temperatura. As presilhas do embolo do cilindro da direita não suportaram a alta pressão e romperam.

Transformações Adiabáticas

São transformações que ocorrem sem troca de calor.

Cp e Cv são os calores específicos do gás a pressão constante e a volume constante.

Lei Geral dos Gases Perfeitos (Ideais)

Antes! O que é gás perfeito? É um gás que não existe na realidade, e serve apenas para provar que um gás real, quando aquecido e rarefeito, se comporta do modo como mostramos anteriormente. A lei geral diz

Equação de Clapeyron

Envolve o número de mols do gás, número associado a massa do gás. A equação é PV = nRT. R é a constante universal dos gases perfeitos. Quando a pressão for dada em atmosfera, tem valor 0,082 atm . l/MOL . K.

Pressão de um Gás

A pressão que um gás exerce nas paredes de um recipiente é dada por onde m é a massa, v é a velocidade e V é o volume do gás.

O comportamento dos gases

Por que é que um gás exerce pressão?

Quando você estudou o comportamento dos líquidos, você aprendeu que um líquido exerce uma pressão proporcional à profundidade e à sua densidade.

Contudo, um gás encerrado num recipiente exerce uma pressão que não é determinada apenas pelo seu peso.

E, de fato, a fôrça exercida pelo gás sôbre o recipiente é freqüentemente muitas vêzes o pêso do gás. O líquido tem uma superfície livre definida e a pressão do líquido na superfície é zero.

O gás não tem superfície definida e deve ser guardado em um recipiente fechado. Êle exerce uma pressão contra as paredes do recipiente.

Você sabe que tôda substância é formada de partículas chamadas moléculas. Em um gás, as distâncias entro as moléculas são grandes, comparadas com as dimensões das moléculas de modo que à pressão ordinária há pequena atração entre as moléculas.

Um gás ideal ou perfeito é aquêle cujas moléculas não exerceriam atração mútua. A teoria cinética dos gases explica o comportamento dessas moléculas em um gás.

Elas são dotadas de um movimento contínuo e rápido e constantemente colidem umas com as outras e com as paredes do recipiente.

A velocidade média de uma molécula de oxigênio a 00C e à pressão atmosférica é cêrca de 400 metros por segundo.

Contudo, a distância que cada molécula de oxigênio percorre antes de colidir com outra molécula ou com a parede do recipiente é extremamente pequena, talvez 0,000006 cm, À medida que a temperatura do gás aumenta, a velocidade média das moléculas também aumenta.

Imagine um enxame de abelhas voando dentro de uma grande caixa de vidro. Elas colidiriam com as paredes e, assim, exerceriam uma força contra ela.

Suponha, agora, que você deslocasse uma das paredes da caixa de modo que as abelhas ficassem confinadas à metade do espaço.

Cada abelha colidiria com outra abelha ou com as paredes da caixa com freqüência duas vêzes maior. A fôrça e, portanto, a pressão, por elas excercida contra as paredes da caixa seriam, portanto, duas vêzes maiores.

De modo análogo, os choques das moléculas do gás contra as paredes produzem a pressão do gás.

Se você acumular as moléculas do gás em uma região do espaço de volume igual à metade do inicial, cada molécula atingirá as paredes com frequencia dupla. A pressão será duas vezes maior.

Manômetros

Você pode medir a pressão dos gases por meio de um manômetro, um medidor de pressão com a forma de um tubo em U. Suponha que o líquido no tubo em U seja mercúrio e que o seu nível no lado aberto do tubo esteja a 1cm acima do nível do lado do tubo que dá para o gás.

Dizemos então que o excesso de pressão do gás (além da pressão da atmosfera) é de 1cm de mercúrio. Se o líquido fôsse água, o excesso de pressão seria igual a 13,6cm de água.

Manômetro de mercúrio U

Um manômetro de mercúrio U. Êle indica o excesso de pressão sôbre a da atmosfera. Qual seria a diferança de nível se o líquido fôsse água?

O manômetro de Bourdon

Usamos o manômetro Bourdon para medir a pressão de pneus de automóveis, de caldeiras, etc. Uma extremidade do tubo metálico encurvado está prêsa a um fio enrolado no eixo de um ponteiro e ligado a uma mola. O aumento de pressão no tubo faz com que ele se distenda um pouco, puxando a corda e movendo o ponteiro. Quando se solta a pressão, a mola puxa o ponteiro para trás, até zero.

Manômetro de Bourdon

Manômetro de Bourdon. Aumentando a pressão no tubo êle se distende um pouco, fazendo o ponteiro girar na escala que indica o excesso de pressão sôbre a da atmosfera.

Como funciona uma bomba de ar?

Quando você enche o pneu de sua bicicleta, você força mais moléculas de ar a entrar nele, aumentando assim a pressão do ar no mesmo. A bomba possui um cilindro, pistão, válvula de entrada e válvula de saída .

Quando você levanta o pistão, você diminui a pressão no cilindro e o ar externo é forçado a entrar pela válvula de entrada. Quando você empurra novamente o pistão para baixo, a válvula de entrada se fecha pela própria pressão do ar interno. A pressão interna força então a válvula de saída a abriser-se e assim você obriga o ar a ir para o pneu.

Bomba de ar

Uma bomba de ar. Quando você puxa o pistão para cima, diminuindo a pressão no cilindro, o ar é forçado a entrar pela válvula de entrada. Às vêzes, o pistão é construído de tal maneira que se torna a válvula de entrada para a bomba, ficando a válvula de saída no pneu.

Quando você bombeou o pneu da sua bicicleta, você talvez tenha notado que a bomba ficou quente.

Você poderia pensar que o calor é o resultado do atrito do pistão dentro do cilindro. Esta é apenas uma causa parcial.

Tôdas as vêzes que comprimimos um gás ao forçar as suas moléculas a ficarem mais próximas umas das outras. A conseqüência dêsse trabalho é calor. Quanto maior a compressão, tanto mais alta é a temperatura do gás.

Como funciona um freio de ar?

Quando o maquinista de um trem moderno dá a saída do trem, você ouve o ruído do ar escapando dos cilindros do freio. Um compressor situado na locomotiva mantém a pressão do ar no tanque principal a cêrca de 5kg/cm2 de pressão. A linha central do ar liga êsse tanque a outros, um sob cada vagão.

O sistema do freio de ar em cada carro tem quatro partes: os freios, o tanque, o cilindro com pistão e a válvula tríplice. Observe cuidadosamente a válvula tríplice.

Ela tem duas partes importantes, o pistão e a válvula deslizante. Quando os freios estão fora de ação, como na, a linha central está ligada ao tanque de ar e a pressão do ar nêle é de 5 kg*/cm2. Para frear, o maquinista deixa escapar o ar da linha central, diminuindo a pressão na mesma.

O ar comprimido do tanque força o pistão da válvula tríplice a se mover, fechando a válvula da linha central. A válvula deslizante é arrastada pelo pistão abrindo a comunicação do tanque para o cilindro do freio. O pistão do freio, assim comprimido, faz funcionar o freio. Para desfrear, o maquinista liga novamente o ar comprimido.

A pressão do ar na linha central faz duas coisas:

Faz voltar o pistão da válvula tríplice à sua posição normal e desloca a válvula deslizante, fazendo com que o ar do cilindro do freio escape. Em 3 segundos, o maquinista pode acionar ou desligar todos os freios de uma composição de 100 vagões!

Antes da invenção do freio de ar, o maquinista tinha de dar um apito especial quando queria parar o trem. O guarda-freios corria então de vagão a vagão, ligando manualmente os freios.

Sistema de freio de ar

Um sistema de freio de ar. (A) Tanque, cilindro, pistão do freio e válvula tríplice. (B) Válvula tríplice; observe o seu pistão e a válvula deslizante.

A pressão do ar, da máquina, mantém a válvula deslizante para a esquerda. O cilindro do freio se comunica diretamente com o ar livre. (C) Para frear, o maquinista diminui a pressão do ar, a válvula deslizante corre para a direita, ligando o cilindro do freio ao tanque de ar. O pistão da válvula tríplice fecha a válvula de linha central.

Quando o americano George Westinghouse tinha vinte anos de idade, êle presenciou um horroroso desastre que o deixou preocupado. Êle inventou, então, o freio de ar. Êle teve, no entanto, enorme dificuldade para convencer as estradas de ferro a experimentar sua invenção.

Finalmente, após muitos meses, uma companhia emprestou três carros para a experiência. Êle instalou os novos freios e convidou muitas personalidades para tomar parte na primeira viagem em trem equipado com freios de ar. A 15 de julho de 1865 o trem saiu de Pittsburgh.

Pouco depois houve um grande solavanco e o trem parou instantâneamente. Alarmadas as pessoas correram para a frente do trem e viram um carro puxado por cavalos prêso nos trilhos. Os novos freios tinham salvo a vida do cocheiro. A ciência pode tornar o mundo mais seguro!

A 15 de Julho de 1865, os freios de ar fizeram êsse trem parar, salvando a vida do homem.

Aparelho para respirar debaixo da água

Você já tentou permanecer debaixo da água durante algum tempo, respirando por um tubo ôco que sai à superfície da água?

Se você já o fêz, sabe então que a maior profundidade à qual êsse truque funciona é cêrca de 1m.

A maiores profundidades, a pressão da água que o cerca é tão grande que o seu peito não pode expandir-se, o que impede a sua respiração.

Se ar comprimido fôsse enviado pelo tubo de modo que a pressão do ar nos seus pulmões ficasse igual à pressão da água, você poderia respirar tão facilmente como se você estivesse fora da água.

Mergulhadores e Exploradores Submarinos

Mergulhadores e Exploradores Submarinos. Observe o tanque de ar comprimido nas costas do mergulhador da direita. O bucal está no fim das duas seções da mangueira de respiração que passa sôbre seus ombros.

Os exploradores e os mergulhadores submarinos vestem um dispositivo para respiração, que os supre de ar comprimido proveniente de um tanque. A pressão do ar é automàticamente regulada de modo que seja sempre igual à pressão da água em redor do mergulhador.

Ar comprimido do tanque, a uma pressão de cerca de 200kg*/cm2, passa através de uma válvula A que reduz a pressão a cêrca de 7kg*/cm2.

O diafragma flexível B faz a pressão do ar que se respira igual àquela da água que pressiona o diafragma por baixo. Se a pressão do ar que se respira fôr menor que a pressão da água, B é impelido para dentro e a alavanca abre a válvula C, permitindo a entrada do ar comprimido.

Quando a pressão do ar que se respira é igual à pressão da água, a alavanca fecha a válvula C.

O ar a ser inspirado passa ao local do mergulhador através do tudo flexível da esquerda, o ar expirado é lançado na água através de uma válvula de borracha D.

Aparelho de respiração submarina.

Aparelho de respiração submarina. A pressão do ar do tanque é automàticamente regulada, de maneira a manter-se sempre igual à pressão da água que rodeia o mergulhador.

O mergulhador pode nadar debaixo da água sem esfôrço, pois a fôrça de empuxo para cima apara o pêso do aparelho. Êle pode nadar durante meia hora a uma profundidade de 30m; êle pode ainda descer a 90m durante um tempo curto.

Êsse esporte pode proporcionar muita diversão às pessoas experimentadas que conhecem as precauções e medidas de segurança necássarias.

Outros aparelhos que utilizam a pressão do ar

Um “pulmão de aço” auxiliando uma pessoa a respirar. Observe a espiral negra embaixo do cilindro. O motor elétrico move a espiral para cima e para baixo, aumentando e diminuindo a pressão no cilindro.

Essa variação de pressão força o ar para fora e para dentro do pulmão do paciente, substituindo o trabalho dos músculos do tórax. Um homem viveu durante treze anos num pulmão de aço. Uma perfuradora acionada por ar comprimido.

Pulmão de aço

Um pulmão de aço. Ao contrário da “Dama de Ferro” da Idade Média (armadura de ferro em que metiam os prisioneiros), que era um instrumento de tortura e morte, o pulmão de aço, um aparelho para respiração artificial, salva vidas.

Baixa pressão e alto vácuo

Agora que você aprendeu algumas utilizações de gases comprimidos, consideraremos gases a baixa pressão. Os sinais Iuminosos de néon que você vê sôbre as lojas são tubos de vidro cheios de gás néon e baixa pressão. O ar é retirado e bombeado para fora dos tubos de imagem dos televisores e das válvulas de rádio até que a pressão dos gases remanescentes seja inferior a 0,0000001 centímetros de mercúrio (10-7)cm Hg). Uma pressão baixa como esta constitui um bom vácuo.

Como obtemos o vácuo? Quando a pressão sôbre um gás diminui, o gás expande-se. Por êste motivo, você pode usar uma bomba de ar, para retirar o ar de um tanque. Ligue o tubo de entrada com o tanque.

Ao puxar o pistão para cima, você diminui a pressão em baixo dêle. O ar, no tanque, expande-se para ocupar o nôvo espaço disponível, passando para a bomba. Ao empurrar o pistão para baixo, você força o ar para a atmosfera.

Você não poderá obter um vácuo muito bom, com a bomba de ar simples, porque o ar começará, logo, a infiltrar-se na bomba, por entre o cilindro e o pistão. A bomba mecânica,produz uma pressão até 0,01cm de mercúrio. A bomba contém um cilindro girante ao qual são ligadas quatro lâminas.

Estas são empurradas para fora, contra uma abertura cilíndrica mais larga, por meio de molas. O gás proveniente do recipiente que está sendo bombeado, vem pelo tubo de entrada, fica prêso no espaço compreendido entre duas lâminas e é levado para fora, passando em redor do cilindro.

Bomba de vácuo mecânica

Uma bomba de vácuo mecânica. Quando o cilindro guia, o ar que vem pela entrada fica prêso entre duas lâminas e é levado até E, por onde sai.

Para obter um vácuo muito alto, usa-se uma bomba de difusão de óleo.

Aquecido eletricamente, óleo no fundo da bomba evapora-se e sobe pela chaminé. No topo da chaminé, o vapor de óleo sai por uma fenda formando um jato.

As moléculas de ar do recipiente, que está sendo bombeado, são apanhadas pelo jato e são transportadas para baixo, para um tubo que conduz à bomba mecânica. A bomba mecânica é necessária para baixar a pressão ao ponto em que a bomba de difusão pode operar.

O vapor de óleo atinge as paredes frias da bomba de difusão e se liquefaz, descendo ao reservatório de óleo. Na pesquisa física e em muitas indústrias usam-se combinações de bombas mecânicas e bombas de difusão.

Bomba de vácuo a difusão de óleo

Bomba de vácuo a difusão de óleo. As moléculas de ar são levadas para baixo pelo jato de vapor de óleo, diminuindo assim a pressão no recipiente que está sendo bombeado.

O alto vácuo é necessário para melhores tubos de televisão. À medida que êsses tubos de imagem circulam, o ar é evacuado de seu interior e êste é revestido de alumínio. Tubos aluminizados produzem imagens brilhantes e nítidas.

Como a pressão de um gás depende do volume?

Você já aprendeu que as moléculas de um gás se movem com velocidades de centenas de metros por segundo. Elas se chocam contra as paredes do recipiente e produzem pressão.

A pressão de um gás dependo do número de moléculas existentes, do voIume a que elas são confinadas e da rapidez com que elas se movem. Suponha que você tenha 10 cm3 de ar à pressão atmosférica (1kg/cm2, aproximadamente) confinadas em sua bomba de bicicleta da qual você vedou a saída.

Suponha que a área do pistão seja de 2 centímetros quadrados. Então êsse ar exerce uma fôrça de 2 quilogramas no pistão e a atmosfera comprime o pistão com a mesma fôrça.

Se você comprime o pistão com uma fôrça de 2 quilogramas, a fôrça total no pistão será de 4 quilogramas por centímetro quadrado.

Se a velocidade das moléculas não mudar (isto é, se a temperatura fôr mantida costante) o volume de gás será então reduzido a 5 centímetros cúbicos. Dobrando a pressão do ar, você reduz seu volume à medade. Se você dobrar novamente a pressão, o volume será reduzido a 2,5 centímetros cúbicos.

Observe que 1atm x 10cm3 = 2atm x 5cm3 = 4atm x 2,5cm3; p1V1 = p2V2 = p3V3.

O produto da pressão de um gás por seu volume é constante se a temperatura não muda.

Essa é a chamada lei de Boyle, em honra ao cientista britânico que a descobriu há cêrca de três séculos.

Se você comprimir um gás num volume menor, as moléculas se chocarão mais freqüentemente contra as paredes e aumentarão a pressão. Diminuindo o volume de 50% você dobra a pressão.

Exemplo:

Quando um balão estratosférico começou a ascensão, o volume do hélio no mesmo era de 75.000 metros cúbicos. Quando o balão chegou a 22 quilômetros de altura o seu volume era de 1.500.000 metros cúbicos. Se a pressão no solo era de 74cm de mercúrio, qual era ela na elevação máxima?

Admita que a temperatura do hélio se manteve constante.

75.000m3 = volume do balão em terra (V1);
1.500.000m3 = volume do balão a 22km de altura (V2);
74cm de mercúrio = pressão atmosférica na terra (p1).

Balão estratosférico

Um balão estratosférico.

A) Na superfície da Terra êle deslocava apenas 75000 metros cúbicos de ar.
B) 22 quilômetros acima êle desloca 1500000 metros cúbicos de ar.

Você pode verificar a lei de Boyle

Boyle provou a sua lei de que a pressão vêzes o volume é constante, por uma experiência tão simples que você a pode repetir. Primeiro, êle encurvou um tubo de modo a dar-lhe a forma indicada.

Êle então fechou o ramo menor com lacre ou com uma rôlha. Êle colocou uma pequena quantidade de mercúrio para prender um pouco de ar no ramo menor.

Suponha que a altura do ar nesse ramo era de 20cm e que o volume do ar era de 20cm3. Boyle colocou mais mercúrio até que o nível do mercúrio no ramo aberto ficasse 76cm acima do nível no outro. Então êle mediu a distância DE e verificou que era igual a 10cm.

Aparelho de Boyle

Aparelho de Boyle. Ao dobrar a pressão do ar confinado, Boyle reduziu o seu volume à metade.

Inicialmente, o volume era de 20cm3 e a pressão era igual à pressão atmosférica, isto é, de 76cm de mercúrio. No fim a pressão total era de 152cm de mercúrio e o volume de 10cm3. Isso é o que a lei prediz, pois

76cm de mercúrio x 20cm3 = 152cm de mercúrio x V2; V2 = 10cm3

Um gás aquecido expande-se

Amarre um balão de borracha a um tubo que atravessa a rôlha de um frasco e coloque o frasco numa vasilha com água quente. O ar do frasco se aquece e suas moléculas se movem mais depressa.

Elas fazem pressão sôbre o ar do balão de borracha o êsse ar faz o balão dilatar-se. Ponha um pedaço de papel em chamas numa garrafa de leite, vazia, e coloque um ôvo cozido (duro), sem casca, na bôca da garrafa.

Quando o ar da garrafa esfria êle se contrai e então a pressão atmosférica força o ôvo a entrar na garrafa. (Você poderá retirar o ôvo segurando a garrafa de bôca para baixo e soprando nela para comprimir o ar.

Então o ar interno aumenta de pressão e ao expandir-se força o ôvo a sair.)

Expansão de ar.

Expansão de ar. Quando você aquece o ar no frasco, as moléculas de ar se movem mais depressa. Elas exercem portanto maior pressão e forçam o balão a expandir-se.

Como pode você fazer o ôvo entrar na garrafa? Como poderá você retirá-lo, então?

De quanto se dilata o ar quando aquecido?

Suponha que você realize a seguinte experiência: confine, algum ar num longo tubo de vidro por meio de uma gota de mercúrio. Admita que a seção transversal do tubo seja de 1 milímetro quadrado.

Coloque o tubo num vaso com água gelada a 0oC. A coluna de ar tem comprimento de 273mm. Aqueça a água a 100oC. O ar se dilatará de modo que o comprimento da coluna será de 373mm.

O comprimento da coluna de ar aumentou de 1mm para cada grau de aumento da temperatura; o volume do ar fica acrescido de 1/273 de seu valor a 0oC. Qualquer outro gás se dilataria da mesma quantidade.

Aumentando-se a temperatura de qualquer gás de 1 grau centígrado, seu volume aumenta de 1/273 de seu valor a 0oC, se a pressão permanece constante.

Expansão uniforme do ar. Aquecendo o ar, de 0ºC a 100ºC, seu volume aumenta de 273 milímetros cúbicos para 373 milímetros cúbicos, isto é, de 1 milímetro cúbico por grau centígrado de aumento de temperatura.

A escala absoluta de temperatura

Na experiência que acabamos de descrever, se você partisse de 0oC e baixasse a temperatura do gás de 1 grau centígrado, seu valor diminuiria do 1/273. Se, você baixasse a temperatura de 10 graus centígrados, a diminuição seria de 10/273 do volume a 0oC.

Se o gás continuasse a contrair-se nesse ritmo, seu volume ficaria igual a zero a -273oC . (Na realidade, o gás passa ao estado líquido antes de atingir essa temperatura). Da mesma maneira, a energia cinética das moléculas do gás diminui de para cada grau abaixo de 0oC .

A -273oC, um gás perfeito perderia partes da energia cinética, isto é, tôda a energia cinética das moléculas.

Nós chamamos a temperatura de -273oC de zero grau Kelvin. A essa temperatura, tôdas, as moléculas de um gás perfeito cessariam de mover-se. Elas não teriam energia cinética. Zero grau Kelvin é a mais baixa temperatura possível. Essa temperatura é também chamada de zero absoluto.

Se resfriarmos 337mm3 de gás de 100oC, o volume passará a 273 mm3. Se continuássemos a esfriar o gás, e êle não se condensasse, seu volume se tornaria nulo a -273oC ou 0oKelvin.

Na escala absoluta de temperatura ou escala Kelvin, a água ferve a 373oK e congela a 273oK. Para passar da escala centígrada para a escala Kelvin some 273 graus.

T (Kelvin) = t (centígrada) + 273o

Se o volume de um gás é V1 à temperatura de Kelvin T1 e V2 à temperatura Kelvin T2, então:

O volume de gás a pressão constante é diretamente proporcional a sua temperatura Kelvin (Lei de Charles).

A água, a pressão normal, ferve a 212oF, 100oC ou 373oK. O zero Kelvin é a -273oC ou -459oF.

Exemplo:

Um balão de borracha contém 800cm3 de ar a 27oC. Qual será seu volume a 57 oC, se a pressão é constante?

Volume à temperatura inferior (K1) = 800cm3;
temperatura inferior = 27oC;
temperatura superior = 57oC
Achar o volume (V2) à temperatura superior.
27 o + 273 o = 300 oK (temperatura Kelvin T1);
57 o + 273 o = 330 oK (temperatura Kelvin T2);

A pressão de um gás a volume constante é proporcional à temperatura Kelvin

Suponha que você aqueça o ar contido num frasco fechado. A energia adicionada fará as moléculas do ar moverem-se mais ràpidamente, de modo que a pressão no frasco será aumentada.

O volume permanecerá constante. Experiências mostram que quando o volume de um gás é constante, sua pressão é diretamente proporcional à sua temperatura Kelvin.

A zero graus Kelvin as moléculas do gás perfeito não se moveriam; a pressão seria nula. A pressão de um gás, a volume constante, é proporcional à sua temperatura Kelvin.

Para qualquer gás a pressão constante, o volume é proporcional a temperatura Kelvin; a volume constante, a pressão é proporcional à temperatura Kelvin

Um termômetro de ar de volume constante

As vêzes, preferimos manter constante o volume de um gás, em vez de sua pressão. Então, a pressão é proporcional à temperatura Kelvin. Um simples de termômetro de volume constante, de ar.

Quando a temperatura do ar confinado sobe, uma quantidade mínima de mercúrio é forçada a subir no tubo capilar.

Essa quantidade é tão pequena que o volume do ar na garrafa pode ser considerado constante (com pequeno êrro).

Um termômetro de ar de volume constante.

Exemplo:

Quando a temperatura do ar é 27oC e a pressão barométrica é 74cm de mercúrio, a altura da coluna OA de mercúrio é 16cm. Qual será a temperatura, à mesma pressão barométrica, quando a altura da coluna fôr de 34cm?

Pressão inicial total (p1) = 74 + + 16 = 90cm de mercúrio;
Pressão final p2 = 74 + 34 = 108cm de mercúrio;
Temperatura inicial = 27oC = 300oK.
Achar a temperatura (T2).

Como o volume é constante:

A lei geral dos gases perfeitos

Da lei de Boyle deduzimos que o volume de um gás é inversamente proporcional à pressão quando a temperatura permanece constante. A lei de Charles nos diz que o volume de um gás é diretamente proporcional à temperatura Kelvin quando a pressão permanece constante.

A terceira lei dos gases estabelece que a pressão de um gás é diretamente proporcional à temperatura Kelvin quando o volume permanece constante.

Combinando essas leis, obtemos:

Exemplo:

Ache o volume final de um gás quando o volume inicial é de 300cm3 a 7oC e 72cm de mercúrio de pressão e a temperatura e pressão finais são, respectivamente, 27oC e 80cm de mercúrio.

300cm3 = volume inicial V1;
7oC ou 280oK = temperatura inicial T1;
72cm de mercúrio = pressão inicial p1;
27oC ou 300oK = temperatura final T2;
80cm de mercúrio = pressão final p2.
Ache o volume final V2.

Leis e teorias

Você estudou as leis de Boyle e Charles e aprendeu noções da teoria cinética dos gases. Qual é a diferença entre uma lei e uma teoria? Como provamos que as leis e as teorias são corretas?

Uma lei é uma afirmacão sôbre o comportamento da natureza em condições cuidadosamente estabelecidas. Suponha que você encerre um gás em um cilindro e diminua o volume ocupado pelo gás.

A lei de Boyle diz que a pressão aumentará de modo que o produto da pressão e do volume seja constante, desde que a temperatura seja constante. Para provar uma lei, verificamos se ela prediz corretamente o que deve acontecer em uma experiência.

Se a pressão de um gás fôr 1000g*/cm2 quando o volume é 1m3 e se a pressão fôr 2000g*/cm2 quando o volume é 0,5m3, a lei de Boyle prediz que a pressão deve ser 4000g*/cm2 quando o volume fôr igual a 0,25m3. Suponha que você faça a experiência e encontre que a pressão é, realmente, 4000g*/cm2 quando o volume é 0,25m3. Você começa a acreditar que a lei de Boyle é verdadeira.

Contudo, a lei de Boyle não lhe diz o que acontece com a pressão quando varia a temperatura, o volume ficando constante. Você deve fazer outras experiências para descobrir a lei da pressão em função da temperatura. A lei de Boyle não se aplica a um gás real quando a pressão é muito alta.

Uma teoria engloba um certo número de leis. A teoria cinética de um gás ideal admite que o gás seja constituído de moléculas que se movem rapidamente e cuja velocidade média depende da temperatura, Quando as moléculas colidem com as paredes do recipiente, elas exercem uma pressão sôbre essas paredes.

As moléculas são muito pequenas e as fôrças que elas exercem umas sôbre as outras são pequenas. Utilizando êsse modêlo e as leis da mecânica, um matemático hábil pode explicar a lei de Boyle e a lei de Charles. Uma boa teoria explica as leis conhecidas.

Contudo, para que seja útil, uma boa teoria deve também predizer novas leis. Deve dar ao cientista uma pista, uma sugestão de onde buscar novas leis. Por exemplo, a teoria cinética dos gases predisse que a viscosidade de um gás deve aumentar de uma certa maneira quando a temperatura aumenta.

Fonte: chemistry.about.com/br.geocities.com/en.wikipedia.org