ESTUDO DOS GASES

  Recomendações aos alunos:

* Leiam com atenção e observem os exemplos.

* Assistam às vídeo aulas pelo CMSP, TV, plataforma Stoodi e façam pesquisas em livros didáticos ou pela internet.

* Identifiquem as atividades com nome, série, turma, nº de chamada, título da atividade e a data de postagem no blog.

* Enviem as atividades para o E-mail: josecorreia@prof.educacao.sp.gov.br

* Data de entrega: até 24/11.

* Para os alunos que entregam as atividades regularmente, essa é a ultima atividade que deve ser enviada.

Olá pessoal! Que todos estejam bem.

Nessa semana vamos estudar os gases. 

Um gás não possui forma própria nem volume constante. O gás ocupa todo o volume do recipiente que o contém e a sua forma também.

Para o estudo de um gás devemos levar em consideração três grandezas, que são chamadas de variáveis se estado de um gás. São elas: pressão (P), volume (V) e temperatura (T).

* PRESSÃO DE UM GÁS: é a força aplicada pelo gás nas paredes do recipiente que o contém.

P = F/A

Onde: 

P = pressão

F = força (newton (N))

A = área (m²)

No S.I. a unidade de medida da pressão é o pascal (Pa). Porém existem várias unidades de medida de pressão. A pressão pode ser medida em:

* newtons por metro quadrado (N/m²): 1 Pa = 1 N/m²

* bar (bar): 1 bar = 10⁵ Pa

* atmosfera (atm): 1 atm = 10⁵ Pa

* milímetros de mercúrio (mmHg): 1 atm = 760 mmHg

* libra-força por polegada quadrada (psi), do inglês "pound per square inch": 1 psi = 6,9.10³ Pa

* torricelli (Torr): 1 Torr = 133,3 Pa

- VOLUME DO GÁS.

No S.I. a unidade de medida de volume é o metro cúbico (m³). Porém, são utilizadas outras unidade como o centímetro cúbico (cm³) e o litro (l).

1 m³ = 10⁶ cm³ = 10³ l

* TEMPERATURA DE UM GÁS.

A temperatura de um gás deve estar na escala absoluta de temperatura, ou seja, na escala Kelvin (K).

Lembrando que para converter graus Celsius (°C) em Kelvin (K), podemos fazer de duas maneiras, utilizando a fórmula ou a regra prática.

Veja:

20°C = 293 K, pois:

T°C = TK - 273

  5             5              ( denominadores iguais podem ser cancelados)

20 = TK - 273

20 + 273 = TK

TK = 293 K

Através da regra prática, basta somar 273 a temperatura em °C:

20 + 273 = 293 K

Quando um gás sofre variação em qualquer uma das variáveis de estado (pressão, volume, temperatura), dizemos que o gás sofreu uma transformação gasosa.

Lei Geral dos Gases Perfeitos
Procura relacionar em uma transformação de massa gasosa, as variáveis: temperatura, pressão e volume.

É representada pela equação matemática:

Onde:
p1 = pressão inicial
V1 = volume inicial
T1 = temperatura inicial
p2 = pressão final
V2 = volume final
T2 = temperatura final

Gases são fluidos no estado gasoso. A característica que os difere dos fluidos líquidos é que, quando colocados em um recipiente, estes têm a capacidade de ocupá-lo totalmente. A maior parte dos elementos químicos não-metálicos conhecidos são encontrados no seu estado gasoso, em temperatura ambiente.

As moléculas do gás, ao se movimentarem, colidem com as outras moléculas e com as paredes do recipiente onde se encontram, exercendo uma pressão, chamada de pressão do gás.

Esta pressão tem relação com o volume do gás e à temperatura absoluta.

Ao ter a temperatura aumentada, as moléculas do gás aumentam sua agitação, provocando mais colisões.

Ao aumentar o volume do recipiente, as moléculas tem mais espaço para se deslocar, logo, as colisões diminuem, diminuindo a pressão.

Utilizando os princípios da mecânica Newtoniana é possível estabelecer a seguinte relação:

Onde:

p=pressão

m=massa do gás

v=velocidade média das moléculas

V=volume do gás.

Gás perfeito ou ideal

É considerado um gás perfeito quando são presentes as seguintes características:

• o movimento das moléculas é regido pelos princípios da mecânica Newtoniana;
• os choques entre as moléculas são perfeitamente elásticos, ou seja, a quantidade de movimento é conservada;
• não há atração e nem repulsão entre as moléculas;
• o volume de cada molécula é desprezível quando comparado com o volume total do gás.

Energia cinética de um gás

Devido às colisões entre si e com as paredes do recipiente, as moléculas mudam a sua velocidade e direção, ocasionando uma variação de energia cinética de cada uma delas. No entanto, a energia cinética média do gás permanece a mesma.

Novamente utilizando-se conceitos da mecânica Newtoniana estabelece-se:

Onde:

n=número molar do gás (nº de mols)

R=constante universal dos gases perfeitos (R=8,31J/mol.K)

T=temperatura absoluta (em Kelvin)

O número de mols do gás é calculado utilizando-se sua massa molar, encontrado em tabelas periódicas e através da constante de Avogadro.

Utilizando-se da relação que em 1mol de moléculas de uma substância há moléculas desta substância.

* TRANSFORMAÇÕES GASOSAS.

As transformações gasosas podem ser de três tipos: isotérmicas, isobáricas ou isovolumétricas.

* TRANSFORMÇÃO ISOTÉRMICA.

A palavra isotérmica se refere à mesma temperatura. Logo, uma transformação isotérmica de um gás ocorre quando a temperatura inicial é conservada.

A lei física que expressa essa relação é conhecida com Lei de Boyle e é matematicamente expressa por:

Onde:

p=pressão

V=volume

=constante que depende da massa, temperatura e natureza do gás.

Como esta constante é a mesma para um mesmo gás, ao ser transformado, é válida a relação:

Além disso, essa lei também é representada graficamente:

Esse gráfico representa a relação entre a variação de pressão e a variação de temperatura durante uma transformação isotérmica

A representação gráfica da transformação isotérmica é uma hipérbole. Quanto maior o produto p.V dessa transformação, mais afastada essa hipérbole ficará dos eixos do gráfico. O nome dado a essa curva representada no gráfico é Isoterma.

Exemplo:

Certo gás contido em um recipiente de 1m³ com êmbolo exerce uma pressão de 250Pa. Ao ser comprimido isotérmicamente a um volume de 0,6m³ qual será a pressão exercida pelo gás?

* TRANSFORMAÇÃO ISOBÁRICA.

Analogamente à transformação isotérmica, quando há uma transformação isobárica, a pressão é conservada.

Regida pela Lei de Charles e Gay-Lussac, esta transformação pode ser expressa por:

Onde:

V=volume;

T=temperatura absoluta;

=constante que depende da pressão, massa e natureza do gás.

Assim, quando um mesmo gás muda de temperatura ou volume, é válida a relação:

Gráficos da Transformação Isobárica

Relacionando as grandezas volume e temperatura, o gráfico é apresentado como um segmento de reta.

Transformação isobárica: gráfico volume x temperatura

Se utilizarmos o diagrama para comparar três pressões diferentes de um mesmo gás, onde pa > pb > pc , a constante na relação é inversamente proporção à pressão e, por isso, ka < kb < kc. Portanto, a maior pressão apresenta a menor constante.

Através do gráfico com as grandezas volume e pressão é possível calcular o trabalho na transformação isobárica.

Transformação isobárica: gráfico pressão x volume

A área da figura corresponde ao trabalho, que pode ser calculada por:

Onde,

W: trabalho;
p: pressão constante;
: variação de volume.

Exemplo:

Um gás de volume 0,5m³ à temperatura de 20ºC é aquecido até a temperatura de 70ºC. Qual será o volume ocupado por ele, se esta transformação acontecer sob pressão constante?

É importante lembrarmos que a temperatura considerada deve ser a temperatura absoluta do gás (escala Kelvin) assim, o primeiro passo para a resolução do exercício é a conversão de escalas termométricas:

Lembrando que:

Então:

* TRANSFORMAÇÃO ISOVOLUMÉTRICA, ISOMÉTRICA OU ISOCÓRICA.

A transformação isométrica também pode ser chamada isocórica e assim como nas outras transformações vistas, a isométrica se baseia em uma relação em que, para este caso, o volume se mantém.

Regida pela Lei de Charles, a transformação isométrica é matematicamente expressa por:

Onde:

p=pressão;

T=temperatura absoluta do gás;

=constante que depende do volume, massa e da natureza do gás.;

Como para um mesmo gás, a constante  é sempre a mesma, garantindo a validade da relação:

Ou, graficamente, o enunciado volumétrico da Lei de Charles pode ser representado assim: O gráfico da transformação isocórica representa a variação da pressão com a variação da temperatura ( em kelvin) e é sempre uma reta . 

Exemplo:

1) Um gás que se encontra à temperatura de 200K é aquecido até 300K, sem mudar de volume. Se a pressão exercida no final do processo de aquecimento é 1000Pa, qual era a pressão inicial?

P1/T1 = P2/T2

2) Um recipiente indeformável, hermeticamente fechado, contém 10 litros de um gás perfeito a 30 ºC, suportando a pressão de 2 atmosferas. A temperatura do gás é aumentada até atingir 60º C. Calcule a pressão final do gás.

Resolução:

Considerando-se que o volume do gás é constante, temos que a transformação é isocórica.

T1 = 30° C + 273 =303 K

T2 = 60°C + 273 = 333 K

P1 = 2 atm

P2 =?

P1/T1 = P2/T2

2/303 = P2/333

2 . 333 = 303.P2

666/303 = P2

P2 = 2,2 atm

3)

 

O gráfico acima mostra a isoterma de uma quantidade de gás que é levado de um estado 1 para um estado 2. O volume do estado 2, em litros, é:

(a) 2 L

(b) 4,5 L

(c) 6 L

(d) 4 L

(e) 3 L

Resolução:

De acordo com o gráfico, temos:

P1 . V1 = P2 . V2

10 . 2 = 5 . V2

20 = 5. V2

20/5 = V2

V2 = 4 l

Resp: D

ASSISTAM A VÍDEO AULA COM O PROFESSOR MARCELO BOARO, ATRAVÉS DO LINK: https://youtu.be/XQ1EJDTNKpI

VÍDEO DISPONÍVEL NO YOUTYBE.

Agora façam os exercícios que seguem.

Bons estudos!

Exercícios.

1) Um carro-tanque transportou gás cloro para uma estação de tratamento de água. Sabe-se que o volume do tanque que continha gás cloro era de 30 m³, que a temperatura era mantida a 20^oC para a pressão ser de 2 atm e que, na estação de tratamento de água, esse cloro foi transferido para um reservatório de 50 m³ mantido a 293 K. Ao passar do carro-tanque para o reservatório, o gás sofreu uma transformação........e a pressão do reservatório era.............. As lacunas são completamente preenchidas, respectivamente, com os dados:

a) isotérmica, 1,2 atm.

b) isométrica, 117 atm.

c) isobárica, 2 atm.

d) isocórica, 2 atm.

e) isovolumétrica, 1,2 atm.

2) O gráfico abaixo representa um processo cíclico (ciclo) a que é submetido um gás ideal:

Analise-o. A opção em que aparece a correspondência das etapas numeradas (1 → 2 → 3 e 3 → 1), com suas respectivas denominações, é:

a) Isobárica, Adiabática e Isotérmica;

b) Isovolumétrica, Isotérmica e Isobárica;

c) Isovolumétrica, Isobárica e Isotérmica;

d) Isotérmica, Isobárica e Isovolumétrica;

e) Isovolumétrica, Isobárica e Adiabática.

3) Considerando a pressão de um gás ideal constante, o volume ocupado por ele é de 3 litros e a temperatura varia de 400 K para 800 K. Qual o volume final que este gás ocupa no frasco?

a) 3 l

b) 4 l

c) 5 l

d) 6 l

e) 7 l

4) Um gás ideal ocupa 5 litros em um recipiente, a pressão dentro do frasco é de 4 atm. Suponha que o gás sofra uma expansão isotérmica e passe a ocupar 8 litros. Qual será a pressão dentro do frasco?

a) 4 atm

b) 3 atm

c) 2,5 atm

d) 2 atm

e) 1,5 atm

5) Um frasco fechado contém um gás a 27°C, exercendo uma pressão de 3,0 atm. Se provocarmos uma elevação na sua temperatura até atingir 227°C, qual será a sua nova pressão, mantendo-se constante o volume? 

a) 1,0 atm. 

b) 2,0 atm. 

c) 3,0 atm. 

d) 4,0 atm. 

e) 5,0 atm.