1º Ano - Ensino Médio - Noturno - Química - Modelo Cinético Molecular.

TEMA: Transformações físicas em um gás

CONCEITOS BÁSICOS 

Gás perfeito é um modelo idealizado para o comportamento dos gases. Um gás perfeito se encontra em recipiente fechado, suas moléculas se agitam, essa ação é conhecida como Energia cinética (Ecin) das moléculas. Se aumentarmos a temperatura dentro do recipiente teremos um aumento da Ecin . Um gás perfeito é aquele que tem sua temperatura e Ecin aumentando proporcionalmente, ou seja, de forma que o número de colisões é aumentado. 

Os gases perfeitos obedecem a três leis bastante simples, que são a lei de Boyle, a lei de Gay-Lussac e a lei de Charles. 

Essas leis são formuladas segundo o comportamento de três grandezas que descrevem as propriedades dos gases: o volume, a pressão e a temperatura. Estas leis são experimentais que mostram como varia o volume de um gás quando a pressão e a temperatura desse gás variam. Algumas expressões comumente usadas são: 

• estado de um gás — são as condições de volume (V ), pressão (P) e temperatura (T ) em que esse gás se encontra; 

• variáveis de estado — são as grandezas V, P e T; 

• transformações gasosas — são as variações de V, P e/ou T. 

FELTRE, Ricardo. Química. 6. Ed. São Paulo: Moderna, 2004.

Lei de Boyle-Mariotte ou Transformação Isotérmica 

Se você apanhar uma bomba de encher pneu de bicicleta, puxar o êmbolo totalmente para fora, fechar a saída de ar com um dedo e empurrar o êmbolo, notará que é possível deslocá-lo um pouco para dentro — quanto maior for a força que você conseguir exercer, maior será esse deslocamento. 

Pois bem, os cientistas Boyle e Mariotte fizeram, cada um a seu tempo, uma experiência semelhante que veio a resultar na lei que leva seus nomes: eles provocaram a variação da pressão de uma determinada massa de gás, mas tendo o cuidado de mantê-lo a temperatura constante. É o que se chama de transformação isotérmica (do grego: iso, igual; thermo, calor). No cilindro ilustrado abaixo, notamos que, aumentando a pressão sobre o gás, o volume deste diminui, dando resultados como os que são mostrados na tabela a seguir.

Representação Gráfica de uma Isoterma

Temos aqui uma representação gráfica de uma transformação isotérmica que será sempre uma hipérbole, independente dos valores da pressão e do volume e da temperatura em que foi realizado o experimento. Essa hipérbole é chamada de isoterma; de modo que, conforme pode ser visto no gráfico acima, para diferentes temperaturas originam diferentes isotermas. 

Lei de Gay-Lussac (transformação isobárica) 

Se você encher um balão de borracha (do tipo usado em festas) e deixá-lo por algumas horas na geladeira, verá que o volume do balão diminui com o resfriamento. E, retirando esse balão da geladeira, notará que o volume desse balão volta ao inicial.

Vamos imaginar, agora, o aquecimento de determinada massa de gás mantido à pressão constante. Trata-se de uma transformação isobárica (do grego: isos, igual; baros, pressão). No cilindro representado abaixo, notamos que, aumentando a temperatura do gás, seu volume também aumenta, dando resultados como os mostrados na tabela a seguir.

A temperatura aumenta a energia cinética das moléculas, resultando em mais colisões com a parede do cilindro, aumentando assim seu volume. 

Na tabela a seguir, podemos observar que a relação V/T é constante.

Observamos assim que dobrando, triplicando etc. a temperatura absoluta do gás, seu volume também dobra, triplica etc., permanecendo constante.Por isso dizemos, matematicamente, que a temperatura absoluta e o volume são grandezas diretamente proporcionais. Dessas observações, vem o enunciado da lei de Gay-Lussac:

Temos aqui uma representação gráfica de uma transformação isobárica que será sempre uma reta, independente dos valores de volume e da temperatura em que foi realizado o experimento. Essa reta é chamada de isóbara; de modo que, conforme pode ser visto no gráfico acima, para diferentes temperaturas originam diferentes isotermas. 

Lei de Charles (Transformação Isovolumétrica, isocória ou isométrica) 

Você já deve ter ouvido falar que a pressão dos pneus de um carro aumenta em dias muito quentes. Você sabe, também, que é muito perigoso aquecer recipientes fechados, mesmo quando “vazios”. Na verdade, um recipiente “vazio” contém ar e/ou resíduos de produto. Quando aquecido, a pressão do conteúdo aumenta e o recipiente pode explodir. A lei de Charles se aplica a situações desse tipo. Vamos imaginar, agora, o aquecimento de determinada massa de gás mantido a volume constante. Trata-se de uma transformação isovolumétrica (ou isométrica, ou isocórica — do grego: iso, igual; coros, volume). No cilindro representado a seguir (agora com a tampa “travada”), notamos que, aumentando a temperatura do gás, sua pressão também aumenta, dando resultados como os mostrados na tabela a seguir.

Observamos assim que dobrando, triplicando etc. a temperatura absoluta do gás, sua pressão também dobra, triplica etc., permanecendo constante. Por isso dizemos, matematicamente, que a temperatura absoluta e a pressão são grandezas diretamente proporcionais. Dessas observações, vem o enunciado da lei de Charles:

Temos aqui uma representação gráfica de uma transformação isocórica ou isovolumétrica que será sempre uma reta, independente dos valores de pressão e da temperatura em que foi realizado o experimento. Essa reta é chamada de isovolumétrica; de modo que, conforme pode ser visto no gráfico, para diferentes volumes originam diferentes isovolumétricas.

Resumindo as transformações e as leis que acabamos de estudar, temos:

ATIVIDADES

01 - (Estácio-RJ) Um volume de 10 L de um gás perfeito teve sua pressão aumentada de 1 para 2 atm e sua temperatura aumentada de -73 °C para +127 °C. O volume final, em litros, alcançado pelo gás foi de: 

A) 10 

B) 20 

C) 30 

D) 40 

02 - (PUC-RJ) Um pneu de bicicleta é calibrado a uma pressão de 4 atm em um dia frio, à temperatura de 7 °C. O volume e a quantidade de gás injetada são os mesmos. Qual será a pressão de calibração no pneu quando a temperatura atinge 37 °C? 

A) 21,1 atm 

B) 760 mmHg

C) 4,4 atm 

D) 2,2 atm 

03 - Considere que no interior do grão de milho de pipoca a pressão é 1 atm, à temperatura de 7°C. Quando ele é aquecido, antes de estourar, sua temperatura é de 192°C. Qual a pressão no interior do grão de milho, considerando o seu volume constante? 

Fonte: PACHECO, Jailson Rodrigo. Química. V. 1. Curitiba : Positivo, 2013. 

04 – (UnB-DF) Os pneus de um veículo em movimento “esquentam”, melhorando sua aderência ao piso. Supondo que não haja variação no volume do ar contido no pneu, o gráfico que melhor representa a variação de pressão no seu interior, em função da temperatura absoluta é:

05 - (Vunesp) Segundo a lei de Charles-Gay-Lussac, mantendo-se a pressão constante, o volume ocupado por um gás aumenta proporcionalmente ao aumento da temperatura. Considerando a teoria cinética dos gases e tomando como exemplo o gás hidrogênio (H2 ), é correto afirmar que este comportamento está relacionado ao aumento: 

A) do tamanho médio de cada átomo de hidrogênio (H), devido à expansão de suas camadas eletrônicas. 

B) do tamanho médio das moléculas de hidrogênio (H2 ), pois aumentam as distâncias de ligação. 

C) do tamanho médio das moléculas de hidrogênio (H2 ), pois aumentam as interações entre elas. 

D) das distâncias médias entre as moléculas de hidrogênio (H2 ) e das suas velocidades médias. 

Fonte: FELTRE, Ricardo. Química. 6. Ed. São Paulo: Moderna, 2004.