FÍSICA – TRANSFORMAÇÕES GASOSAS

GÁS IDEAL

Na natureza encontramos, em condições normais, di-

versos tipos de substâncias no estado gasoso, como

oxigênio, hélio, hidrogênio, neon etc., em razão de suas

características moleculares – cada qual apresenta com-

portamento singular.

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Como vimos nos diagramas de�fases, acima da temperatura crítica, essas substâncias�passam do estado de vapor e começam a se comportar�como gases.

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Por meio de experimentos, os físicos perceberam que gases de substâncias diferentes, quando�submetidos a baixas pressões e altas temperaturas,�comportavam-se de maneira semelhante

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Nessas condições, os gases estudados receberam o nome de gases ideais ou gases perfeitos.

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ROBERT BOYLE

Joseph Louís Gay-Lussac

Paul Emile Clapeyron

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QUANTIDADE DE GÁS

Para calcular a quantidade de gás presente em um

recipiente, deve-se adotar o conceito de mol usado

em Química.

O número de mols é semelhante ao termo utilizado

para representar uma dúzia, com uma diferença: uma

dúzia contém 12 elementos, enquanto um mol contém

6,02 · 10²³ elementos. Esse valor é conhecido como nú-

mero de Avogadro.

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Assim, podemos escrever:

​

Lembrando que a unidade para o número de mols,

no Sistema Internacional (SI), é o mol.

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Usualmente, a massa é dada em gramas, e a massa molar, em g /mol.

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VARIÁVEIS DE ESTADO DE UM GÁS

Para determinada massa de um gás perfeito, as variáveis de estado são grandezas físicas que o caracterizam, sendo temperatura (T), volume (V) e pressão (p) três exemplos usados com frequência. Vamos analisá-las:

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Temperatura (T)

sempre será usada na escala kelvin.

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Volume ocupado pelo gás (V)

Por serem altamente expansíveis e compressíveis, as

moléculas que compõem o gás ocupam todo o espaço

disponível do recipiente que as contêm. Assim, o volu-

me ocupado pelo gás corresponde sempre ao volume

interno do recipiente.

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Pressão (p)

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Transformação isotérmica

A fim de estudar o comportamento dos gases ideais,

Robert Boyle realizou, por volta de 1660, um experi-

mento no qual uma massa de gás foi confinada em um

tubo cilíndrico à temperatura constante.

Aumentando-se a pressão no interior do tubo, ele percebeu que o

volume do gás diminuía.

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Essa constatação ficou conhecida como Lei de Boyle.

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Assim, certa quantidade de gás, inicialmente a uma

pressão p1 e volume V1, sofre uma transformação isotérmica (T1 = T2), indo para uma pressão p2 e volume V2.

Como o produto p · V é constante, pode-se igualar o

produto p · V nas duas situações; assim:

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Representação gráfica da transformação isotérmica

Na transformação isotérmica, o gráfico p × V é uma

hipérbole equilátera, chamada de isoterma.

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Aumentando a temperatura da massa gasosa, o

produto p · V também é elevado; assim, a hipérbole

estará mais afastada dos eixos.

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Transformação Isobárica

Na transformação isobárica a pressão da massa fixa de um gás é mantida constante, enquanto temperatura e volume variam.

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A transformação isobárica foi estudada, de forma independente, pelos cientistas Jacques Charles (1746-1823) e Louis Joseph Gay-Lussac (1778-1850). A partir de suas observações, foi formulada a Lei de Charles Gay-Lussac:

“Quando a pressão de uma massa fixa de gás é constante, seu volume é diretamente proporcional à sua temperatura absoluta.”

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Confira a fórmula para a Lei de Charles Gay-Lussac a seguir.

Onde,

V: volume do gás;�T: temperatura;�K: constante da pressão.

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Gráfico da Transformação Isobárica

A seguir, observe o gráfico da transformação isobárica.

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Transformação Isovolumétrica

Na transformação isovolumétrica, isocórica ou isométrica, o volume de um gás é mantido constante, enquanto pressão e temperatura variam.

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A transformação com o volume constante foi estudada por Jacques Charles (1746-1823), que postulou o que veio a ser conhecido como Lei de Charles:

“Quando o volume de um gás é mantido constante, sua pressão varia na mesma proporção que a temperatura da amostra.”

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O enunciado da Lei de Charles é matematicamente expresso por:

Onde,

P: pressão do gás;�T: temperatura do gás;�K: constante de volume.

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Por exemplo, ao dobrar a temperatura de determinado volume de gás, a pressão que o gás exerce nas paredes do recipiente também dobra.

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EQUAÇÃO DE CLAPEYRON

Estudando a lei geral dos gases ideais, o físico francês

Émile Clapeyron pretendia provar que a constante k,

que aparece na lei geral, dependia da massa do gás.

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Após vários estudos, ele concluiu que a constante era proporcional ao número de moléculas (n) do gás,

e não à massa do gás. Dessa forma, conseguiu associar a constante k de cada substância ao número de moléculas e a uma outra constante (R), que valia para qualquer gás ideal.

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Essa constante (R) ficou conhecida como constante universal dos gases ideais.

Juntando a equação da lei geral dos gases ideais com a constante descoberta por Clapeyron, temos:

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Essa equação tornou-se conhecida como equação de Clapayron.

​

Não se esqueça de que:

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Sabe-se que 1 mol de qualquer gás ocupa o volume de 22,4 litros, quando em condições normais de temperatura e pressão (CNTP), pressão 1 atm e temperatura 0 °C ou 273 K.

Assim, pode-se determinar o valor da constante universal dos gases ideais usando a equação de Clapeyron:

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Em outras unidades, temos:

• R ≅ 8,31 J/(mol · K)

• R ≅ 2,0 cal/(mol · K)

• R ≅ 62,3 mmHg/(mol · K)

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LEI ZERO DA TERMODINÂMICA

No início do estudo de termologia, definimos o concei-

to de temperatura de duas maneiras distintas, uma mi-

croscópica e outra macroscópica. Vamos relembrar essas

definições para, depois, dar seguimento a esse assunto.

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LEI ZERO DA TERMODINÂMICA

Microscópica

Nessa definição, usamos como referência o movi-

mento das partículas que constituem o corpo; assim,

podemos dizer que:

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LEI ZERO DA TERMODINÂMICA

Macroscópica

Nessa definição, usamos a comparação entre dois ou

mais corpos para definir a temperatura.

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Esse enunciado ficou conhecido como LEI ZERO DA TERMODINÂMICA, ou anteprimeira lei

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PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA

A maior busca do ser humano é por trabalho. Na Mecânica,

pesquisadores estudaram o comportamento da força e

da energia potencial em relação à energia cinética, com

o intuito de obter trabalho.

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PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA

Com isso, temos hoje diversas

possibilidades de obtenção de trabalho, retirando energia potencial gravitacional da água (trabalho hídrico),

dos ventos (trabalho eólico), entre outras.

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Com o passar do tempo, novas descobertas científicas permitiram a geração de trabalho com base na eletricidade, produzindo motores elétricos para a realização de trabalho.

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A eletricidade, no entanto, não foi a primeira forma que a humanidade encontrou para realização de trabalho nem tornou-se exclusiva após sua descoberta

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As máquinas térmicas descobertas e utilizadas muito antes da eletricidade, e, até hoje, são extremamente úteis na produção de trabalho mecânico.

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Surgiram as grandes máquinas movidas a vapor, mudando toda a forma de locomoção e produção industrial e agrícola. Esse crescimento ficou conhecido como Primeira Revolução Industrial.

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Toda essa revolução só foi possível após o entendimento das relações entre calor, trabalho e energia interna.

Ao aplicar o princípio da conservação da energia à termodinâmica, os pesquisadores deram início ao desenvolvimento das máquinas térmicas.

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Vejamos um exemplo.

Um cilindro contém uma quantidade de gás aprisionada por um êmbolo móvel.

Ao receber certa quantidade de calor (Q), o êmbolo sobe, realizando trabalho sobre o bloco (T ), e, ao mesmo tempo, o gás se aquece, transformando parte do calor recebido em energia interna (∆U).

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Ou ainda:

A variação da energia interna de um gás é dada pela diferença entre o calor trocado com o meio externo e o trabalho realizado no processo termodinâmico:

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EXERCÍCIOS

DE

APLICAÇÃO

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SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA

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Assim, podemos concluir que a energia total do Universo sempre se conserva, porém, algumas formas de energia apresentam maior aplicabilidade do que outras, tanto para a realização de trabalho, quanto para conservação e armazenamento.

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A segunda lei da termodinâmica leva em conta as transformações de energias com base nos limites impostos pela natureza.

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A segunda lei da termodinâmica estabelece critérios para que possamos analisar a possibilidade de ocorrência de determinadas transformações, envolvendo trocas de calor e trabalho.

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EXERCÍCIOS

DE

APLICAÇÃO

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