Profa. Maria Fernanda - Química nandacampos.mendonc@gmail.com

Transcrição

1 Profa. Maria Fernanda - Química nandacampos.mendonc@gmail.com

2 Por que precisamos calibrar os pneus dos carro? Vídeo: Pressão abaixo da recomendada reduz a durabilidade do pneu, aumenta o consumo de combustível e favorece o risco de acidentes na pista. O correto é calibrar os pneus a cada 15 dias. Sempre com pneus frios, ou seja, tendo rodado no máximo 3 quilômetros. A pressão deve ser sempre a recomendada pelo fabricante do veículo, que em alguns carros está fixada na porta do motorista. Se não for o caso, no manual está descrita a pressão adequada. O que significa calibrar os pneus? Qual ou quais substâncias químicas são utilizadas na calibragem?

3 Se não quiser ou puder (por falta de ter onde fazê-lo) calibrar seus pneus com nitrogênio, O que continue significa fazendo calibrar com ar os comprimido pneus? mesmo, Qual mas, ou se quais atenha a importância de fazê-lo com regularidade, para sua melhor segurança, desempenho da substâncias químicas são utilizadas na calibragem? moto e durabilidade dos pneus. Ar comprimido Mistura homogênea Nitrogênio (N 2(g) ) substância pura O ar comprimido contém água, vapor de água e oxigênio, o que ataca os aros metálicos e encurtam a vida das borrachas. A perda de pressão do ar comprimido é maior do que que no caso do nitrogênio. O nitrogênio é um gás estável que tem propriedades de manter os pneus com a pressão correta por muito mais tempo do que o ar comprimido.

4 Questionamentos: 1- Como se comportam os gases dentro dos pneus? 2- Como o ar dentro do pneu consegue sustentar o peso de um carro? 3- Por que não podemos calibrar os pneus quentes? 4- Existe diferença entre o comportamento dos gases de um pneu calibrado com nitrogênio e o outro com ar comprimido? 5- Por que todos os pneus perdem pressão? Para responder a essas perguntas precisamos tecer alguns conhecimento químicos. Precisamos elaborar um modelo para os gases. Não podemos observar (ver) o comportamento das partículas (moléculas) de m gás, mas podemos elaborar um modelo para estudá-lo.

5 Como se comportam os gases dentro dos pneus? A teoria cinética dos gases (ou teoria do gás ideal) consiste em um modelo que nos permite explicar como os gases se comportam, já que não podemos ver as moléculas e os átomos que formam os gases. Gases são substâncias moleculares ou um elemento químico, como no caso dos gases nobres. Elemento químico

6 GÁS IDEAL Como se comportam os gases dentro do pneus? A Teoria cinética dos gases diz que: - Todo gás é composto de inúmeras moléculas que se movimentam de forma desordenada e com uma alta velocidade. Essa movimentação é chamada agitação térmica. O grau dessa agitação serve para identificar a temperatura dos gases. - As moléculas dos gases têm um tamanho desprezível em relação às distâncias entre elas, o que faz com que o volume ocupado pelas moléculas de um gás seja praticamente desprezível. - O gás ocupa todo o espaço do lugar onde está contido, devido às moléculas dele se movimentarem em todas as direções. - O fato do movimento das moléculas dos gases serem perpétuo, é que, o choque delas contra si mesmas e contra as paredes do recipiente onde o gás está contido, é perfeitamente elástico, o que faz com que as moléculas não percam energia cinética nem quantidade de movimento. - As moléculas de um gás só interagem entre si quando elas colidem, fora as colisões elas apresentam movimento retilíneo (MRU).

7 Como se comportam os gases dentro do pneus? Conclusões: Teoria cinética dos gases Vídeo: 1- A pressão exercida por um gás dentro de um recipiente resulta justamente dos choques das partículas contra as paredes. 2- O choque entre duas partículas de um gás e entre uma partícula de um gás e o recipiente, ocorre de forma perfeitamente elástica, isto é, a energia mecânica (energia cinética / movimento + energia potencial / posição) total das duas partículas que colidem permanece inalterada, embora uma possa perder energia para a outra. 3- Estando em movimento contínuo, as partículas de um gás possuem uma energia cinética (E C ) que depende da massa(m) e da velocidade (v) das partículas. Fórmula matemática da energia cinética

8 Como se comportam os gases dentro do pneus? Teoria cinética dos gases Atenção: mesmo que as partículas de uma mesma substância (gás) tenham a mesma massa (m) a velocidade delas poderão ser diferentes. Logo, terão energia cinética diferentes. Assim, falamos em energia cinética média. Esta é proporcional à temperatura do gás. E C = k.t (k= cst de proporcionalidade) Como o ar dentro do pneu consegue sustentar o peso de um carro? Dentro do pneu, o choque das partículas dos gases contra as paredes internas do pneu (que ocorre igualmente em todas as direções) é o que o mantém cheio por igual (sem deformação). O ar dentro do pneu exerce uma dada pressão interna. O fabricante do veículo informa a pressão necessária em cada pneu, de modo que, no total, os quatro pneus juntos exercem uma pressão igual à do peso do carro (força). Dessa forma, o ar dentro dos pneus consegue sustentar o peso do veículo.

9 Qual é a unidade de pressão? Pressão é a relação entre a intensidade de uma força que age perpendicularmente sobre uma superfície e a área dessa superfície. Matematicamente, temos que a pressão é dada por: N (newton) m 2 N/m 2 = Pa (pascal)

10 Por que não podemos calibrar os pneus quentes? Para respondermos a essa questão, precisamos estudar sobre o estado de um gás. Este fica definido quando conhecemos os valores exatos de seu volume, de sua pressão e de sua temperatura. Se ocorrer alguma alteração em pelo menos umas dessas três variamos dizemos que o gás sofreu uma mudança ou transformação de estado. Os estudos gases se dão com os mesmos em um sistema fechado. Número de partículas de gás contido no sistema é sempre constante.

11 Por que não podemos calibrar os pneus quentes? Transformações de estado dos gases A Transformação isotérmica Em uma transformação isotérmica, provoca-se a variação do volume e da pressão de determinado gás, porém mantém-se a temperatura constante. Se dobrarmos a pressão de um gás, seu volume reduzirá pela metade e assim por diante. Quando duas grandezas como essas são inversamente proporcionais, o seu produto é uma constante; desse modo, matematicamente, essa relação pode ser representada assim: Simulação

12 Por que não podemos calibrar os pneus quentes? Transformações de estado dos gases A Transformação isotérmica Lei de Boyle ou Lei de Boyle-Mariotte: Isoterma Sob temperatura constante, o volume ocupado por determinada massa fixa de um gás é inversamente proporcional à sua pressão. Exemplo: Considere que um recipiente com êmbolo móvel, capaz de deslizar sem atrito, contém 20 litros de O 2(g) sob pressão de 160 kpa a 298 K. Que volume de gás passará a ocupar se a pressão for reduzida para 80 kpa nessa mesma temperatura? 40 L

13 Por que não podemos calibrar os pneus quentes? Transformações de estado dos gases A Transformação isobárica Em uma transformação isobárica, provoca-se a variação do volume e da temperatura de determinado gás, porém mantém-se a pressão constante. Simulação Se dobrarmos a temperatura, o volume ocupado pelo gás também dobrará. Por outro lado, se diminuirmos a temperatura, o volume do gás também diminuirá na mesma proporção. Quando duas grandezas como essas são diretamente proporcionais, o seu quociente é uma constante; desse modo, matematicamente, essa relação pode ser representada assim: V = k T

14 Por que não podemos calibrar os pneus quentes? Transformações de estado dos gases A Transformação isobárica Lei de Charles/Gay-Lussac: Isóbara Num sistema com pressão constante, o volume de determinada massa fixa de um gás é diretamente proporcional à temperatura. Exemplo: Considere um recipiente fechado, dotado de um êmbolo que pode se deslocar sem atrito, com nitrogênio gasoso, N 2(g) ocupando inicialmente um volume de 9L na temperatura de 25ºC e sob uma pressão de 210 kpa. Mantendo-se a pressão constante e aumentando-se a temperatura para 174ºC, qual é o valor do volume que passa a ser ocupado pelo gás nessa temperatura? 13,5 L T/K=T/ºc+273,15

15 Por que não podemos calibrar os pneus quentes? Transformações de estado dos gases A Transformação isocórica Em uma transformação isocórica, provoca-se a variação da temperatura e da pressão de determinado gás, porém mantém-se o volume constante. 2T T T/2 4P 2P P Quando duas grandezas como essas são diretamente proporcionais, o seu produto é uma constante; desse modo, matematicamente, essa relação pode ser representada assim: P = k T Simulação Se o volume e a massa do gás permanecessem constantes e a temperatura fosse dobrada, indo de T para 2T, então a pressão também dobraria, indo de P para 2P. Além disso, se diminuir a temperatura, por exemplo, pela metade, indo de T para T/2, o resultado seria que a pressão também diminuiria pela metade, de P para P/2.

16 Por que não podemos calibrar os pneus quentes? Transformações de estado dos gases A Transformação isocórica Lei de Charles e Gay-Lussac Isócora Num sistema fechado em que o volume é mantido constante, verifica-se que a pressão exercida por determinada massa de gás é diretamente proporcional à sua temperatura termodinâmica. Exemplo: A pressão total do ar no interior de um pneu era de 2,30 atm quando a temperatura do pneu era de 27ºC. Depois de ter rodado um certo tempo com esse pneu, mediu-se novamente sua pressão e verificou-se que esta era agora de 2,53 atm. Suponha a variação de volume do pneu desprezível, a nova temperatura será?

17 Por que não podemos calibrar os pneus quentes? Sabemos pela lei de Lei de Charles/Gay-Lussac para as transformações isocóricas que se aumentarmos a temperatura do gás contido em um sistema fechado (como o pneu) com volume constante, a pressão aumenta. Isso interfere na pressão dos pneus, que passa a ser maior do que a real. Equação geral dos gases A partir da combinação das três equações das transformações gasosas (isotérmica, isobárica, isocórica) representadas respectivamente pelas equações: PV = K; V/T = K; P/T = K levou à uma nova equação. Equação geral dos gases:

18 Equação geral dos gases A equação geral dos gases mantém a relação de proporcionalidade entre as variáveis de estado (P, T e V). Se fizermos um gráfico da transformação de estado que ocorre ao mesmo tempo com as três variáveis, obteremos duas hipérboles isotermas: T i e T f, senso T i < T f. Estado Inicial Estado Intermediário Estado Final A B C O ponto A indica o estado inicial, o ponto B o estado intermediário e o ponto C o estado final da transformação do gás ideal. Trans. Isotérmica Volume variou de V i para V x ; A pressão variou de P i para P x (sendo P y =P f ) A temperatura permanece cst. Trans. Isobárica Volume variou de V x para V f ; A temperatura variou de T i para T f (sendo T i =T x ) A pressão permanece cst.

19 Equação de Clapeyron A equação desenvolvida por Émile Clapeyron relaciona as três variáveis de estado (pressão, volume e temperatura) com a quantidade de partículas (número de mols de partículas) que compõe um gás ideal. A relação que ficou conhecida como A Equação de Clapeyron ou Equação de um gás ideal se dá da seguinte forma: onde: pv=nrt R: constante universal dos gases perfeitos. Seu valor depende das unidades utilizadas para medir as variáveis de estado, podendo ser: O valor da constante universal dos gases perfeitos deve ter as mesmas unidades que as demais grandezas.

20 Equação de Clapeyron Origem da Equação de Clapeyron Eq. Geral dos gases K = constante Isolando o volume e chamando a cst. de R teremos: V= R x T/P A hipótese de Avogadro nos diz que: 1 mol de gás ocupa um volume de 1V 2 mols de gás ocupa um volume de 2v Logo: Volumes iguais de gases diferentes nas mesmas condições de pressão e temperatura contêm o mesmo número de moléculas. Equação de Clapeyron

21 Existe diferença entre o comportamento dos gases de um pneu calibrado com nitrogênio e o outro com ar comprimido? Para respondermos a essa pergunta precisamos estudar o comportamento das misturas gasosas. As descrições sobre o comportamento dos gases ideais fornecidas pela teoria cinética dependem apenas da quantidade de matéria (número de moléculas do gás) no sistema e não do tipo de elemento ou substância de que os gases são constituídos. Assim, as relações estudadas (equação de Claperyon) é válida tanto para um único gás quanto para uma mistura gasosa, já que consideramos que não existe interações entre as moléculas dos gases, isto é, eles não reagem formando novas substâncias. Simulação

22 Existe diferença entre o comportamento dos gases de um pneu calibrado com nitrogênio e o outro com ar comprimido? Contudo, n (número de mols) na Equação de Claperyon será escrito como a soma do número de mols de cada espécie de gás que existe no sistema. Considerando os gases ideais hipotéticos A e B PV=nRT gás ideal n= n A + n B P x V = (n A + n B ) x R x T mistura de gases ideais Veremos a seguir algumas relações básicas entre cada espécie de gás componente de uma mistura gasosa e todos os gases que compõem essa mistura.

23 Existe diferença entre o comportamento dos gases de um pneu calibrado com nitrogênio e o outro com ar coprimido? Relações: Fração em quantidade de matéria (X) A fração em quantidade de matéria (X) de um gás A qualquer em uma mistura gasosa a relação existente entre a quantidade de matéria desse gás e a quantidade de matéria total dos gases presentes na mistura. Considerando os gases ideais hipotéticos A e B n total = n A +Nb n A /n total + n b /n total = n total /n total = 1

24 Existe diferença entre o comportamento dos gases de um pneu calibrado com nitrogênio e o outro com ar comprimido? Relações: Pressão parcial A pressão parcial que um gás exerce em uma mistura gasosa exerce é igual àquela que ele exerceria se estivesse sozinho, à mesma temperatura. Pressão do Gás ideal sozinho Pressão parcial Gás ideal hipotético 1 Pressão parcial Gás ideal hipotético 2 Mistura de gases

25 Existe diferença entre o comportamento dos gases de um pneu calibrado com nitrogênio e o outro com ar comprimido? Relações: Pressão parcial Lei das pressões parciais ou lei de Dalton: A pressão total exercida por uma mistura gasosa é igual à soma das pressões parciais dos gases que compõem a mistura. Relação entre a pressão que uma mistura de gases exerce em um recipiente e a quantidade de matéria total dos gases presentes na mistura.

26 Existe diferença entre o comportamento dos gases de um pneu calibrado com nitrogênio e o outro com ar comprimido? Relações: Pressão parcial Se dividirmos a equação P A V = n A R T por P total V = n total R T teremos: P A = n A / P total = n total P A / P total = n A / n total X A Expressão da pressão parcial em porcentagem % em pressão parcial = X%

27 Existe diferença entre o comportamento dos gases de um pneu calibrado com nitrogênio e o outro com ar comprimido? Relações: Volume parcial O volume parcial ocupado por um gás em uma mistura gasosa é igual ao volume que esse gás ocuparia se estivesse sozinho suportando toda a pressão da mistura à mesma temperatura. Equação de estado PV=nRT Volume parcial PV A = n A RT PV B = n B RT Volume Gás ideal sozinho Volume parcial Gás ideal hipotético A Volume parcial Gás ideal hipotéico B Mistura gasosa

28 Existe diferença entre o comportamento dos gases de um pneu calibrado com nitrogênio e o outro com ar comprimido? Relações: Volume parcial Lei de Amagat O volume total de uma mistura gasosa é igual à soma dos volumes parciais dos gases que a compõem. V total = n total RT/ P V total = (n A + n B + n C +...) RT/V Relação entre a pressão que uma mistura de gases exerce em um recipiente e a quantidade de matéria total dos gases presentes na mistura.

29 Existe diferença entre o comportamento dos gases de um pneu calibrado com nitrogênio e o outro com ar comprimido? Relações: Volume parcial Se dividirmos a equação P V A = n A R T por P V total = n total R T teremos: V A = n A / V total = n total V A / V total = n A / n total X A Expressão do volume parcial em porcentagem % em volume parcial = X%

30 Existe diferença entre o comportamento dos gases de um pneu calibrado com nitrogênio e o outro com ar comprimido? Respondendo à questão acima: Vimos que a pressão que um gás exerce e o volume que ele ocupa em uma mistura gasosa, são equivalentes aos estados de quando estão sozinhos. Logo, como a pressão do pneu é estipulada pelo fabricante dos veículos, não haverá alteração na mesma caso calibremos o pneu com ar comprimido ou com nitrogênio. A diferença estará apenas na quantidade de matéria de cada espécie gasosa, uma vez que o volume também não será alterado. P total = P 1 +P 2 + P 3 V total = V 1 + V 2 +V 3 P total = P N2 V total = V N2 Relação entre a pressão do pneu e o sua relação com a aderência no solo. A pressão no pneu deverá ser a mesma

31 Existe diferença entre o comportamento dos gases de um pneu calibrado com nitrogênio e o outro com ar comprimido? Massa molar aparente Quando temos uma mistura da gases, podemos afrimar que: 1) A massa total da mistura (m total ) é igual à soma das massas de cada gás. 2) A quantidade de matéria total da mistura (n total ) é igual à soma das quantidades de matéria de cada gás. e, portanto,, então M aparente = m total n total A massa molar aparente, M ap, indica a massa de 1 mol de prtículas da mistura.

32 Existe diferença entre o comportamento dos gases de um pneu calibrado com nitrogênio e o outro com ar comprimido? Densidade aparente Quando temos uma mistura gasosa podemos calcular sua densidade aparente por meio da equação de Claperyon: Pela equação acima podemos observar que a densidade é inversamente proporcional à temperatura. Logo: Quanto maior a temperatura da mistura gasosa, menor será a densidade. Quanto menor a temperatura da mistura gasosa, maior será a densidade.

33 Por que todos os pneus perdem pressão? Para respondermos a essa pergunta precisamos recorrer ao estudo de duas propriedades dos gases: difusão e efusão. Difusão é o movimento espontâneo das partículas de um gás de se espalharem uniformemente em meio às partículas de um gás, ou então, de atravessarem uma parede. Efusão é o movimento espontâneo de escape das partículas de um gás contido em um recipiente por um pequeno orifício para um ambiente externo de pressão mais baixa. SIMULAÇÃO A partir da simulação concluímos que: (a) as partículas (moléculas) mais pesadas (de maior massa) se movimentam com uma velocidade menor do que aquelas que apresentam uma massa menor. (b) A velocidade com as partículas de um gás se movimenta é diretamente proporcional à temperatura. Logo, quanto maior a temperatura, maior a velocidade das partícula.

34 Por que todos os pneus perdem pressão? Os pneus perdem pressão devido às propriedades de difusão e efusão das partículas que compõem os gases. As moléculas do gás podem escapar pela borracha devido à porosidade da mesma. Como vimos os pneus calibrados com ar atmosférico perdem pressão mais rapidamente do que o calibrado com nitrogênio. Isso de deve ao fato de que o N 2(g) é uma substância estável, enquanto que o O 2(g), por exemplo, pode reagir com os componente metálicos que compõem o pneu. Além do mais no ar comprimido há vapor de água que com o aqueciemento do pneu pode evaporar.

35 FIM DO CAÍTULO DE GASES APLICANDO O CNHECIEMNTO CONSTRUÍDO Resolva os exercícios indicados a seguir: Página 19 1 ao 4 Página 22 5 ao 8 Página 27 9 ao 12 Página 33 1 ao 5 Página 36 6 ao 11 Página 43 1 ao 3 Página 46 4 ao 7