Post on 28-Oct-2020
DISCIPLINA DE FÍSICA
PROFESSOR MARCOS AURÉLIO
TERMOLOGIA – FÍSICA DOS GASES
UNIDADE 6: FÍSICA DOS GASES (RESUMO 6)
1- O ESTADO GASOSO:
Constitui o estado físico no qual a matéria apresenta forma e volume variável. Nesse estado encontramos partículas (moléculas) em movimento contínuo e caótico.
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2- VARIÁVEIS DE ESTADO:
São as grandezas físicas que permitem caracterizar as condições físicas de um gás ou de uma mistura gasosa. São elas: a pressão, o volume, e a temperatura.
O estado gasoso apresenta baixa densidade e elevadas
compressibilidade e expansibilidade, ou seja, sofre
considerável variação de volume quando submetido a
pequenas variações de temperatura e/ou pressão. Isto de
deve ao fato de que as partículas no estado gasoso estão
muito afastadas entre si, o que facilita no estado gasoso a
expansão e a contração volumétrica.
2.2- TEMPERATURA:
A temperatura (T) de um gás expressa uma medida
indireta do grau de agitação das partículas do gás. As
principais unidades de medida de temperatura são
expressas nas escalas termométricas Celsius (°C),
Fahrenheit (°F) e no sistema internacional de unidades
na escala kelvin (K). Deve-se enfatizar que a
temperatura deve ser expressa OBRIGATORIAMENTE
na escala termométrica Kelvin, quando dos cálculos
empregando as equações da física do estado gasoso.
As principais relações entre as unidades de medida de
temperatura são:
2.1- VOLUME:
O volume (V) de um gás expressa o espaço do universo
ocupado por uma determinada massa gasosa. Sendo que o
volume ocupado por um gás é igual ao volume do recipiente
que o contém. Deve-se enfatizar que à medida que uma
determinada massa gasosa é transferida para um recipiente
de maior volume, essa se expande tornando-se mais
rarefeita. As principais unidades de medida de volume são o
litro (L), mililitro (mL), centímetro cúbico (cm3) e no sistema
internacional de unidades, o metro cúbico (m3). As principais
relações entre as unidades de medida de volume são:
2.3- PRESSÃO:
A pressão (P) de um gás expressa relação entre a força
(F) exercida pelo gás e a área superficial (S) na qual tal
força é aplicada. A força exercida pelo gás decorre das
colisões das partículas do gás com as paredes internas
do recipiente que contém o gás. As principais unidades
de medida de pressão são o atmosfera (atm), o
milímetro de mercúrio (mmHg), o centímetro de
mercúrio (cmHg) e no sistema internacional de
unidades o pascal (Pa). Um pascal (1Pa) corresponde à
pressão exercida quando uma força de um newton (1N)
é aplicada perpendicularmente a uma superfície de
área (S) igual a um metro quadrado.
L 11
cm 1 1mL
mL 1.000 L 1
L 000.11
3
3
3
dm
m
932
5
FC TT
273 CK TT
3- TRANSFORMAÇÕES GASOSAS:
As transformações gasosas são fenômenos físicos, pois,
são modificadas as condições de temperatura e /ou
volume e/ou pressão de um gás, sem que se altere a
composição química do mesmo. As diferentes
transformações gasosas são nomeadas de
transformações: isobárica, isocórica, isotérmica e
politrópica.
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2°- Um atmosfera constitui a pressão atmosférica exercida por uma coluna de ar ao nível do mar, o que em um barômetro de Torricelli corresponde a uma pressão capaz de sustentar uma coluna de mercúrio de 760 milímetros (76 centímetros) de altura. As principais relações entre as unidades de medida de pressão são:
OBSERVAÇÕES SOBRE PRESSÃO:
1°- O barômetro é o dispositivo empregado para medir a pressão atmosférica.
3°- O manômetro é o instrumento utilizado para medir a pressão de fluidos contidos em recipientes fechados.
BARÔMETRO DE TORRICELI:
1 atm = 760 mmHg = 76 cm Hg 1 atm = 100 000 Pa = 100 000 N/m²
3.1- TRANSFORMAÇÃO ISOBÁRICA:
A transformação gasosa isobárica é aquela na qual a
pressão (P) do gás é mantida constante, sendo
alterados os valores de temperatura e volume. Sob
as condições de pressão constante, à medida que a
temperatura do gás se eleva, esse se expande,
aumentando seu volume e vice- versa. Deste modo a
temperatura e o volume se comportam como
variáveis de estado diretamente proporcionais. A
equação que descreve tal transformação e os
gráficos correspondentes estão abaixo
representados:
3.2- TRANSFORMAÇÃO ISOCÓRICA:
A transformação gasosa isocórica também nomeada
de isovolumétrica ou isométrica, é aquela na qual o
volume (V) do gás é mantido constante, sendo
alterados os valores de temperatura e pressão. Sob
as condições de volume constante, à medida que a
temperatura do gás se eleva, aumenta o grau de
agitação das partículas do gás, o que proporciona
um aumento na pressão exercida pelo gás e vice-
versa. Deste modo a temperatura e a pressão se
comportam como variáveis de estado diretamente
proporcionais. A equação que descreve tal
transformação e os gráficos correspondentes estão
abaixo representados:
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3.3- TRANSFORMAÇÃO ISOTÉRMICA:
A transformação gasosa isotérmica é aquela na qual a
temperatura (T) do gás é mantida constante, sendo
alterados os valores de pressão e volume. Sob as
condições de temperatura constante, à medida que a
pressão sobre o gás se eleva, diminui o espaço ocupado
por esse, o que proporciona uma redução no volume
ocupado pelo gás e vice- versa. Deste modo a pressão e
o volume se comportam como variáveis de estado
inversamente proporcionais. A equação que descreve tal
transformação e os gráficos correspondentes estão
abaixo representados:
3.4- TRANSFORMAÇÃO POLITRÓPICA:
A transformação gasosa politrópica é aquela na qual as
três variáveis de estado (pressão, volume e temperatura)
sofrem mudanças em seus valores. A equação que a
descreve está transcrita abaixo:
Admitimos que o gás ao sair das condições do
estado inicial (1) passa por um estado
intermediário (I) antes de se transformar para as
condições do estado final (2).
OBSERVAÇÕES:
1°- As equações anteriormente transcritas são válidas para um gás hipotético, ou seja, imaginário, denominado de gás ideal. Nesse gás hipotético, as colisões moleculares são totalmente elásticas, ou seja, ocorrem sem perda de energia cinética.
2°- Os gases reais sob condições corriqueiras de temperatura e pressão não se comportam de modo ideal, ou seja, as colisões moleculares não são totalmente elásticas, ocorrendo com perda de energia cinética. Deste modo, as equações deduzidas para os gases ideais necessitam de fatores (constantes) de correção obtidos experimentalmente para aplicação no estudo dos gases reais.
3°- Os gases reais sob baixa pressão e elevada temperatura, ou seja, em condições rarefeitas passam a assumir um comportamento físico similar ao dos gases ideais.
4- CNTP:
As condições normais de temperatura e pressão (CNTP)
são condições nas quais a temperatura é igual a 0°C ou
273 K e a pressão é igual a 1 atm ou 760 mmHg. Nas
CNTP, um mol de qualquer gás ocupa um volume igual a
22,4 L.
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5- EQUAÇÃO DE CLAPEYRON:
Constitui a equação que permite relacionar as variáveis
de estado de um gás, pressão, volume e temperatura
com o número de mols do gás. Partimos de um estado
inicial do gás que remete as CNTP (condições normais
de temperatura e pressão), no qual um mol do gás
ocupa um volume igual a 22,4 litros sob pressão de um
atmosfera ou 760 mm Hg e temperatura de zero graus
Celsius ou 273 kelvin.
R = constante universal dos
gases perfeitos ou ideais.
R = 0,082 atm L/ mol K
R = 62,3 mm Hg L/ mol K
R = 8,31 J/mol K
R = 1,99 cal mol/k
Benoit Paul
Émile
Clapeyron
(1799-1864)
6- DENSIDADE DE UM GÁS:
Expressa a relação entre a massa e o volume
gasoso.
M = massa molar do gás =
massa de um mol de moléculas
(6,02 .1023) do gás.
7- MISTURAS GASOSAS:
As misturas gasosas são sistemas físico-químicos
homogêneos formados pela mistura de dois ou mais
gases. Nesses sistemas monofásicos os diferentes
componentes gasosos sofrem completa difusão (mistura).
Um exemplo de mistura gasosa é o ar atmosférico
constituído por 78% de gás nitrogênio (N2), 21% de gás
oxigênio (O2), 0,9% de gás argônio (Ar) e 0,1% de outros
gases.
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Considerando uma mistura gasosa formada por dois gases (A) e (B), o estudo dessa mistura gasosa parte da determinação dos volumes parciais pertinentes a cada um dos componentes da mistura e pelas pressões parciais pertinentes a cada um desses componentes.
7.1- PRESSÕES PARCIAIS:
A pressão parcial de um gás, corresponde a pressão exercida por esse gás, quando o mesmo sozinho encontra-se submetido as condição de volume (V) e temperatura (T) da mistura.
O volume parcial de um gás corresponde ao
volume ocupado por esse gás, quando o mesmo
sozinho encontra-se submetido as condição de
pressão (P) e temperatura (T) da mistura.
7.2- VOLUMES PARCIAIS:
A difusão gasosa constitui o fenômeno pelo qual
um gás se mistura no seio e outro gás. A efusão
consiste no processo pelo qual um gás passa por
um orifício ou membrana porosa. A velocidade de
efusão de um gás é inversamente proporcional a
raiz quadrada da densidade do gás:
7.3- DIFUSÃO E EFUSÃO GASOSA:
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A Lei de Graham relaciona as velocidades de efusão dois
gases com suas massas molares (massa de um mol de
moléculas do gás).
A velocidade de efusão de um gás será tanto
maior quanto menor for sua densidade ou sua
massa molar.
8- TEORIA CINÉTICA DOS GASES:
As equações estudadas são válidas para um gás ideal, ou
seja, para um gás hipotético que na realidade não existe.
O gás ideal foi concebido teoricamente para explicar as
propriedades dos gases. No gás ideal os choques entre
as moléculas do gás são considerados perfeitamente
elásticos, isto é, ocorrem sem perda de energia cinética
das moléculas que colidem.
8.1- HIPÓTESES DA TEORIA CINÉTICA DOS GASES:
1° HIPÓTESE: Todo gás é formado por partículas (átomos,
moléculas, íons) em movimento livre, desordenado
(caótico) e dotadas de alta velocidade.
2° HIPÓTESE: As partículas chocam-se entre si
e com as paredes do recipiente de modo
perfeitamente elástico, ou seja, não perdem
energia cinética, isto explica a pressão que um
gás exerce sobre as paredes internas do
recipiente que o contém, essa pressão resulta
desses choques.
3° HIPÓTESE: As partículas que estão em
movimento contínuo e caótico possuem energia
cinética, embora, tenham a mesma massa,
essas partículas podem apresentar velocidades
e energias cinéticas diferentes. Portanto,
empregam-se os termos: velocidade média e
energia cinética média das partículas.
8.2- PRESSÃO EXERCIDA POR UM GÁS
IDEAL:
A pressão exercida por um gás ideal é
calculada pela equação abaixo deduzida:
1°- Uma molécula de massa (m) colidirá contra a
parede com força (F). A molécula apresenta uma
velocidade (v) e uma aceleração (a):
2°- Levando a equação (1) em (2) termos:
3°- Como o volume é dado por:
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4°- Como o volume é dado por:
5°- A força será calculada por:
8.3- ENERGIA CINÉTICA DE UM GÁS IDEAL:
A energia cinética do gás é calculada pela
equação abaixo deduzida:
8.4- VELOCIDADE MÉDIA DAS MOLÉCULAS DE
UM GÁS IDEAL:
A velocidade média das moléculas do gás é
calculada pela equação abaixo deduzida:
8.5- ENERGIA CINÉTICA MÉDIA DAS MOLÉCULAS DE
UM GÁS IDEAL:
A energia cinética média por molécula do gás é
calculada pela equação abaixo deduzida:
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1°- Sendo:
2°- Como:
3°- Então:
OBSERVAÇÕES:
1°-
2°-
3°-