Disciplina de Físico Química I - Gases Ideais- Lei de Boyle-Charles. Prof. Vanderlei Inácio de Paula contato:

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1 Disciplina de Físico Química I - Gases Ideais- Lei de Boyle-Charles. Prof. Vanderlei Inácio de Paula contato: A físico-química é a disciplina que estuda as propriedades físicas e químicas da matéria, através da combinação de duas ciências: a física e a química. A físico-química apresenta áreas de estudo de extrema importância para o Engenheiro, que incluem termoquímica, cinética química, equilíbrios químicos, características das soluções, propriedades coligativas e gases. 1

2 Modelo macro e micro Volume De maneira simplificada: o volume de um gás coincide com o próprio volume do recipiente que o contém. No Sistema Internacional de Unidades (SI), a unidade padrão de volume é o metro cúbico (m 3 ), definido como o volume de um cubo cuja aresta tem 1 m de comprimento. No estudo dos gases, os volumes são também medidos em litros (L), em mililitros (ml) ou em centímetros cúbicos (cm 3 ). 2

3 PressÃo Pressão é o quociente entre uma força (que pode ser o peso) e a área da superfície onde a força está aplicada. Matematicamente: A pressão dos gases é também medida em milímetros de mercúrio, unidade que resulta de uma experiência clássica de Torricelli, quando um tubo completamente cheio de mercúrio é emborcado num recipiente que também contenha mercúrio, a altura h em que o mercúrio estaciona depende exclusivamente da pressão do ar atmosférico. Esse aparelho, denominado barômetro de mercúrio, serve para medir a pressão atmosférica. Temperatura A temperatura é uma grandeza que mede o grau de agitação das partículas (átomos ou moléculas) que constituem um corpo. Para um gás, a temperatura depende da velocidade (grau de agitação) das moléculas que o constituem. A temperatura dos gases é medida no Brasil, na escala Celsius ( C), que é uma escala centesimal (ou centígrada); todavia nos cálculos, usa-se a escala absoluta ou Kelvin (K), pois ela traz grandes simplificações nas leis e fórmulas em geral e é adotada pelo SI. 3

4 Exercícios 1) A quantos litros corresponde o volume de 7,5 m 3? 2) A quantos milímetros de mercúrio corresponde uma pressão de 5 atm? 3) Qual é a temperatura Kelvin correspondente a 40 C? Resposta 1 1) A quantos litros corresponde o volume de 7,5 m 3? Exercícios 4

5 Resposta 2 2) A quantos milímetros de mercúrio corresponde uma pressão de 5 atm? Resposta 3 3) Qual é a temperatura Kelvin correspondente a 40 C? 5

6 Lei de Boyle Boyle percebeu nos estudos dos gases que sob temperatura constante, o volume ocupado por determinada massa gasosa é inversamente proporcional à sua pressão. Observou que se dobrar ou triplicar a pressão sobre o gás, o volume reduz à metade e a um terço, respectivamente, permanecendo constante o produto P x V. A pressão e o volume são grandezas inversamente proporcionais Lei de Boyle P P C B T 1 T A 1 V 1 V 6

7 Lei de Boyle P PV=constante P P= constante V T 2 T 2 T 1 T 1 V 1 V Lei de Boyle Na compressão dos gases é muito comum acontecer o seguinte (acompanhe as setas no gráfico): aumentando-se a pressão sobre o gás, seu volume diminui gradativamente até o ponto A, onde o gás se liquefaz; de A (gás) para B (líquido), seu volume se reduz bruscamente; e, em seguida, praticamente não varia mais (B C), pois os líquidos são pouco compressíveis. Evidentemente, a partir de A, a lei de Boyle deixa de ser válida. Essa situação pode ser visualizada nos isqueiros a gás de corpo transparente, nos quais é possível enxergar o gás liquefeito. Gás Real Gás ideal 7

8 Exercícios 1) Uma amostra de gás nitrogênio está submetida a 0,3 atm em um recipiente de 2,0 L. Mantendo-se a temperatura fixa, o volume é alterado até a pressão atingir 1,2 atm. Qual é o volume final? 2) A figura mostra uma seringa nova e sem agulha na qual está confinado um pouco de ar. Admitindo que a temperatura permaneça constante, o que se deve fazer com o êmbolo para que a pressão interna duplique? Que lei científica você utilizará? 3) Se uma amostra de gás, submetida a temperatura constante, tem o seu volume triplicado, o que acontece com a pressão? Resposta 1) Uma amostra de gás nitrogênio está submetida a 0,3 atm em um recipiente de 2,0 L. Mantendo-se a temperatura fixa, o volume é alterado até a pressão atingir 1,2 atm. Qual é o volume final? 8

9 Pressão (atm) 12/08/2014 Resposta 2) A figura mostra uma seringa nova e sem agulha na qual está confinado um pouco de ar. Admitindo que a temperatura permaneça constante, o que se deve fazer com o êmbolo para que a pressão interna duplique? Que lei científica você utilizará? Resposta 3) Se uma amostra de gás, submetida a temperatura constante, tem o seu volume triplicado, o que acontece com a pressão? 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0, ,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 Volume (litros) 9

10 Lei de Charles Charles percebeu nos estudos dos gases que sob volume constante, a pressão exercida por uma determinada massa gasosa é diretamente proporcional à sua temperatura absoluta (Temperatura em Kelvin). Observou que se dobrar a temperatura absoluta sobre o gás, a pressão dobra, permanecendo constante o volume. A temperatura absoluta é uma Grandezas diretamente proporcional a pressão de um gás ideal Lei de Charles 10

11 Exercícios 1) Uma amostra de gás encontra-se num recipiente fechado e indeformável, a -73 C e 60 kpa. Se a temperatura for elevada até +77 C, qual será a nova pressão? 2) Se uma amostra de 12,5 L de gás oxigênio, a 223 C, for aquecida até 227 C, mantendo-se sua pressão constante, qual será o volume final? 3) Considere uma determinada quantidade de gás carbônico confinada em um recipiente de 15 m 3, a 1 atm e 57 C. Se esse gás for inteiramente transferido para outro recipiente de 20 m 3, qual deverá ser a temperatura final (em C), a fim de que a pressão não se altere? Respostas 1) Uma amostra de gás encontra-se num recipiente fechado e indeformável, a -73 C e 60 kpa. Se a temperatura for elevada até +77 C, qual será a nova pressão? 11

12 Respostas 2) Se uma amostra de 12,5 L de gás oxigênio, a 223 C, for aquecida até 227 C, mantendo-se sua pressão constante, qual será o volume final? 12,5 496 = V = 12,60 L Respostas 3) Considere uma determinada quantidade de gás carbônico confinada em um recipiente de 15 m 3, a 1 atm e 57 C. Se esse gás for inteiramente transferido para outro recipiente de 20 m 3, qual deverá ser a temperatura final (em C), a fim de que a pressão não se altere? = 20 T 2 = 440 K 167 C 12

13 Lei de Gay-Lussac Gay-Lussac percebeu nos estudos dos gases que sob pressão constante, o volume ocupado por uma determinada massa gasosa é diretamente proporcional à sua temperatura absoluta (Temperatura em Kelvin). Observou que se dobrar a temperatura absoluta sobre o gás, o volume dobra, permanecendo constante o pressão. A temperatura absoluta é uma Grandezas diretamente proporcional ao volume de um gás ideal Lei de Gay-Lussac 13

14 Exercícios 1) Um balão de borracha foi amarrado na boca de uma garrafa vazia, como mostra a figura A. Essa garrafa foi colocada na água quente e observou-se o que está esquematizado na figura B. Esperou-se a garrafa voltar à temperatura ambiente e, finalmente, gelo foi colocado ao seu redor. Observou-se o que aparece na figura C. a) A garrafa vazia estava realmente vazia? b) Explique o comportamento do balão na figura B. c) Explique o comportamento do balão na figura C. Resposta a) A garrafa vazia estava realmente vazia? b) Explique o comportamento do balão na figura B. c) Explique o comportamento do balão na figura C. 14

15 Equação de estado (equação geral dos gases) Reunindo as três fórmulas vistas nas três leis físicas dos gases, chega-se à fórmula matemática, que é a chamada equação geral dos gases. Note que ela só é válida para uma massa constante de um mesmo gás. Equação de estado (equação geral dos gases) 15

16 Exercícios 1) Um balão meteorológico com 50 L de gás hélio, a 20 C e ao nível do mar, é lançado na atmosfera. Ao atingir a estratosfera, a pressão desse gás torna-se 0,4 atm e a temperatura -50 C. Determine, em L, a capacidade que o balão deve ter antes do lançamento. 2) Uma amostra de 1 mol de gás oxigênio ocupa 22,4 L a 0 C e 1 atm. Empregue a equação geral dos gases para prever qual será o volume dessa mesma amostra de gás se estiver submetida a uma temperatura de 273 C e a uma pressão de 0,5 atm. 3) Vinte litros de gás hidrogênio foram medidos a 27 C e 700 mmhg de pressão. Qual será o novo volume do gás, a 87 C e 600 mmhg de pressão? Resposta 1) Um balão meteorológico com 50 L de gás hélio, a 20 C e ao nível do mar, é lançado na atmosfera. Ao atingir a estratosfera, a pressão desse gás torna-se 0,4 atm e a temperatura -50 C. Determine, em L, a capacidade que o balão deve ter antes do lançamento. 16

17 Resposta 2) Uma amostra de 1 mol de gás oxigênio ocupa 22,4 L a 0 C e 1 atm. Empregue a equação geral dos gases para prever qual será o volume dessa mesma amostra de gás se estiver submetida a uma temperatura de 273 C e a uma pressão de 0,5 atm. 1 x 22,4 273 = 0,5 x V 273 V = 44,8 L Resposta 3) Vinte litros de gás hidrogênio foram medidos a 27 C e 700 mmhg de pressão. Qual será o novo volume do gás, a 87 C e 600 mmhg de pressão? 17

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