versão preliinar leituras de física GREF Física Térica. para ler, fazer e pensar 3 14. Terra: Planeta Ägua. 15. Os ateriais e as técnicas. 16. Mudanças sob pressão. 17. O ais frio dos frios. 18. Transfornações gasosas.
Leituras de Física é ua publicação do GREF - Grupo de Reelaboração do Ensino de Física Instituto de Física da USP EQUIPE DE ELABORAÇÃO DAS LEITURAS DE FÍSICA Anna Cecília Copelli Carlos Toscano Dorival Rodrigues Teixeira Isilda Sapaio Silva Jairo Alves Pereira João Martins Luís Carlos de Menezes (coordenador) Luís Paulo de Carvalho Piassi Suely Baldin Pelaes Wilton da Silva Dias Yassuko Hosoue (coordenadora) ILUSTRAÇÕES: Fernando Chuí de Menezes Mário Kano GREF - Instituto de Física da USP rua do Matão, travessa R, 187 Edifício Principal, Ala, sala 305 05508-900 São Paulo - SP fone: (011) 818-7011 fax:(011) 818-7057 financiaento e apoio: Convênio USP/MEC-FNDE Sub-prograa de educação para as Ciências (CAPES-MEC) FAPESP / MEC - Prograa Pró-Ciência Secretaria da Educação do Estado de São Paulo - CENP A reprodução deste aterial é peritida, desde que observadas as seguintes condições: 1. Esta página deve estar presente e todas as cópias ipressas ou eletrônicas.. Nenhua alteração, exclusão ou acréscio de qualquer espécie pode ser efetuados no aterial. 3. As cópias ipressas ou eletrônicas não pode ser utilizadas co fins coerciais de qualquer espécie. junho de 1998
14 Terra: Planeta Água. Lagos, rios e ares. Orvalho, neblina e chuvas. Granizos e geleiras. Estaos falando de água. Habitaos u planeta co 70% de sua superfície coberta de água. Aqui, quase toda água (97,5%) é salgada: a água dos oceanos. Grande parte da água doce se encontra e regiões pouco habitadas, nos Pólos, na fora de gelo. O restante da água doce aflora do subsolo cortando as terras coo rios e lagos e se acuulando na atosfera coo vapor. 53
14 A Terra: Planeta Água. vida no nosso planeta teve início na água que é o eleento que cobre /3 da sua superfície e é u dos principais coponentes dos organisos vivos, vegetais ou aniais. coo quando a nuve é envolta por ar e turbulência, que faz as gotículas colidire entre sí ou quando a teperatura da parte superior da nuve atinge cerca de 0 o C. Não podeos "iaginar" vida seelhante à da Terra e planetas se água. A água é a única substância que existe e grandes quantidades na natureza, nos estados líquido, sólido e gasoso. Está e contínuo oviento constituindo u ciclo. O Ciclo da água. Das nascentes dos rios, geralente localizadas nas regiões altas, a água desce cortando terras, desaguando e outros rios, até alcançar o ar. Grande quantidade de água dos rios, ares e da transpiração das plantas evapora, isto é, passa para o estado de vapor ao sere aquecidas pelo sol e devido a ação dos ventos. A chuva ao cair traz de volta ao solo a água que pode passar por árvores, descer cachoeiras, correr rios e retornar para o ar. O ciclo da água está copleto. Transforada e vapor, a água se torna enos densa que o ar e sobe. Não percebeos o vapor d'água na atosfera e ne as gotículas de água e que se transfora, quando se resfria, na edida e que alcança aiores alturas. Essas gotículas uito pequenas e distantes uas das outras (e que por isso não são visíveis) se agrupa e vão constituir as nuvens. 54 Ua gota d'água do ar. Subiu, subiu até encontrar ua nuve. Caiu coo chuva. Molhou plantas e solo. Percorreu rios. E... Voltou para o ar. Para que ua nuve forada por bilhões de gotículas se precipite coo chuva é necessário que as gotículas se aglutine e gotas d'água que se copõe de cerca de 1 ilhão de gotículas. Isto ocorre e situações específicas Para que esse ciclo não se interropa é necessário que se antenha as condições que propicia a foração e precipitação das nuvens, Você pode siular a foração da chuva criando condições para que a água ude de estado.
Transforações Téricas. As udanças de estado. No ciclo da água ocorre udanças de estado. A água no estado líquido ao sofrer u aqueciento ou devido à ação do vento, evapora. A evaporação é a passage lenta de u líquido para vapor, isto é, ua vaporização lenta. Ela ocorre a diversas teperaturas, sepre retirando calor do abiente.o vapor d'água que é enos denso que o ar sobe, por convecção, ficando sujeito a novas condições de pressão e teperatura. A pressão atosférica, pressão da coluna de ar acia do local, diinui na edida e que nos afastaos da superfície. Isto acontece porque a coluna de ar acia vai diinuindo. Alé disso, o ar se torna ais rarefeito (enos oléculas de ar por unidade de volue) na edida e que a altitude auenta. Este fatores, ar rarefeito e diinuição da pressão atosférica faze co que a teperatura caia. Teos então condições para que o vapor d'água ude novaente de estado. Ele se resfria e se condensa forando gotículas. A condensação é a passage do estado de vapor para o líquido, que ocorre co perda de calor. O vapor d'água cede calor para o abiente. Sepre que ua substância uda de estado há troca de calor co o abiente.esta quantidade de calor necessária para que ocorra ua udança de estado é chaada de calor latente. No caso da evaporação ou condensação o calor recebido ou cedido, respectivaente, para o abiente é o calor latente de vaporização. Fazendo Chuva. - Coloque u pouco de água e u recipiente de vidro e aarre u pedaço de bexiga no gargalo. Marque o nível da água antes de coeçar o experiento. O que você observa após algu tepo? - Coloque o frasco, por aproxiadaente 1 inuto, e água quente e observe. E seguida e água fria, co alguas pedras de gelo por algu tepo. Observe o que aconteceu. - Quanto ais vapor houver dentro do frasco, aior será a uidade relativa do ar. Você acha que a variação de teperatura influi na uidade relativa do ar? Coo? O aqueciento e o resfriaento favorece os processos de udança de estado? Coo? - Para variar a pressão sobre o ar no interior do frasco, coloque água à teperatura abiente e tape-o novaente co a bexiga, aguardando cerca de cinco inutos. Coo a condensação do vapor d'água ocorre sobre partículas e suspensão, abra o frasco, coloque fuaça de u fósforo recé apagado no seu interior e feche-o rapidaente. Isso vai facilitar a visualização das gotículas. - Provoque variações de pressão no frasco puxando e epurrando a tapa elástica. Repita isso várias vezes e observe. Ocorreu condensação ao puxar ou ao epurrar a tapa elástica? O que aconteceu co a pressão nas duas situações? E que condições ocorre condensação? Deveos esperar que chova quando ocorre auento ou diinuição da pressão atosférica? A diinuição de pressão provoca auento da evaporação da água. Co a evaporação ocorre diinuição da teperatura do ar e consequenteente condensação do vapor d'água. A "nuve" que você observou resultou de u abaixaento de teperatura provocado pela evaporação da água. 55
56 Terra: Planeta Água. Chove uito ou chove pouco? Nas regiões de serra próxias ao ar encontra-se atas fechadas e forações rochosas que propicia abientes úidos. Co escarpas de ais de 1000 de altura a Serra do Mar funciona coo barreira para os ventos que sopra do oceano fazendo co que as assas de ar úido suba forando nuvens. Essas nuvens se precipita coo chuvas orográficas (provocadas pelo relevo). Parte da água da chuva fica retida nas plantas e no solo sendo evaporada e grandes quantidades caracterizando estas regiões coo chuvosas. Na Serra do Mar, geralente, chove a cada dois ou três dias, o que fornece u índice pluvioétrico (edida de quantidade de chuva) de 4000 ilíentros de água por ano, enquanto na cidade de São Paulo esse índice é de cerca de 1400 ilíetros. Nestas condições é cou a presença de serração, pois devido a uidade da região a quantidade de vapor na atosfera é uito grande e na presença de ar ais frio se condensa e gotículas que constitue a neblina. Orvalho, Nevoeiro, Neve e Granizo. Ciclo da água? O orvalho ve caindo. Vai olhar o eu chapéu. Será que Noel Rosa e Kid Pepe vira o orvalho cair? Será que o orvalho cai? Coo e quando ele aparece? O orvalho, parte do ciclo da água, só ocorre e condições especiais. O ar, o solo e as plantas aquecidos durante o dia pela radiação solar se resfria à noite diferenteente, pois seus calores específicos são diferentes. Durante o dia, o solo e as plantas se aquece ais que o ar e tabé se resfria ais, durante a noite. Quando a teperatura das folhas das plantas, superfície de objetos, está ais baixa que a do ar, pode haver foração de orvalho. O vapor d'água contido na atosfera se condensa ao entrar e contato co essas superfícies ais frias. Portanto, o orvalho não cai, ele se fora nas folhas, solo e objetos, quando sua teperatura atinge o ponto de orvalho. Ponto de orvalho é a teperatura e que o vapor d'água está saturado e coeça a se condensar. E noites de vento, o orvalho não se fora porque a troca de calor co o eio é acentuada ipedindo o ponto de orvalho no solo. Utilize três recipientes, u contendo água, outro co acetona e outro co álcool, todos co terôetros. O que ocorre co as teperaturas dos terôetros quando eles são retirados dos líquidos? Coo você explica isso? Por que esfria? Nevoeiro e Neve. O nevoeiro consiste na presença de gotículas de água na atosfera próxia a superfície terrestre. Quando a atosfera é resfriada, por contato co o ar ais frio, por exeplo, o vapor d'água se condensa forando gotículas. Se as gotículas auenta de taanho o nevoeiro se transfora e garoa ou chuvisco. E regiões onde a teperatura do ar frio é uito baixa, o vapor d'água pode se transforar e cristais de gelo, caindo e flocos, constituindo a neve. A passage do estado de vapor para sólido é chaada de subliação. Chuva de Granizo O granizo se fora e nuvens a grandes altitudes. As gotas d'água se torna tão frias que sua teperatura fica ais baixa que o ponto de congelaento (0 0 C). Quando essas gotas d'água interage co partículas de poeira ou fuaça, congela e se precipita coo pedras de gelo. Coloque u pouco de água e três tubos de ensaio co terôetros e anote a teperatura. Envolva-os co papel absorvente olhados co água, co álcool e outro seco. O que ocorre co as teperaturas arcadas nos terôetros?
15 Os Materiais e as Técnicas. "Fundiu" o otor? "Queiou" a lâpada? "Derreteu" o gelo? É de ferro fundido? Mudou de Estado? Na fabricação de blocos de otores, de carrocerias de cainhões e de panelas, é necessário que o ferro, o aço e o aluínio esteja derretidos para sere oldados. São necessários cuidados de anutenção na refrigeração e lubrificação para evitar que o carro "ferva" e que o otor funda. Estaos falando de Mudança de Estado. 57
15 Os Materiais e as Técnicas. No nosso dia a dia transforaos água e vapor ao cozinharos e água e gelo e nossas geladeiras. A água é ua das raras substâncias que é encontrada na natureza nos três estados físicos: coo vapor na atosfera, líquido nos rios e ares e sólido nas geleiras. Na fusão (passage de sólido para líquido) e na vaporização (passage de líquido para vapor) sepre forneceos calor às substâncias. Na solidificação (passage de líquido para sólido) e na condensação (passage de gás para líquido) sepre retiraos calor das substâncias. 58 O que é a chaa? Quando se acende o pavio de ua vela a parafina (istura de hidrocabonetos) próxia a ele se liquefaz e depois se vaporiza. O gás sobe por convecção e reage co o oxigênio do ar, produzindo água e gás carbônico co liberação de energia térica e luinosa. É isso que constitui a chaa. Nas udanças de estado sepre ocorre trocas de calor. Ebora qualquer substância possa ser sólida, líquida ou gasosa, produzir ua udança de estado e alguas delas não é ua tarefa siples coo acontece co a água. Sendo assi, teos que epregar técnicas específicas coo o que ocorre co o gás hélio que só se condensa a baixas teperaturas (-69 o C) e eso a baixíssias teperaturas só se solidifica co alterações de pressão. Alguas técnicas coo a fundição que consiste no derretiento dos etais para sere oldados, são epregadas co sucesso há bastante tepo e vê sofrendo atualizações. O ferro e o cobre deixa de ser sólidos, isto é se funde, a teperaturas de cerca de 1500 o C, que são conseguidas e fornos etalúrgicos. Da esa aneira que a fusão dos etais é essencial na fabricação de peças de autoóveis, carrocerias de cainhões, ferrovias, eletrodoésticos, etc., a vaporização da água é o processo físico que garante o funcionaento de ua usina teroelétrica. A água aquecida na caldeira vaporiza e o vapor a alta teperatura e pressão ove as pás de ua turbina que gera energia elétrica. Nua ação corriqueira coo a de acender ua vela produzios duas udanças de estado: a fusão e a vaporização da parafina. No entanto, ne sepre a udança de estado é desejável. Não quereos, por exeplo, que as lâpadas de nossas casas se "queie". O filaento das lâpadas incandescentes são de tungstênio, que funde à teperatura de 3380 o C. Se essa teperatura for atingida pelo filaento ele se rope, ao fundir, interropendo o circuito. Tabé toaos cuidado co a lubrificação e refrigeração dos otores de nossos carros, evitando assi que o otor funda. A teperatura e que cada substância uda de estado é ua propriedade característica da substância. A quantidade de calor necessária para que u graa de substância ude de estado é o seu calor latente que tabé é ua propriedade característica. Os valores da teperatura de udança de estado e do calor latente respectivo define o seu uso na indústria. A tabela 15.1 fornece os pontos de fusão e de ebulição e tabé o calor latente de fusão e de vaporização de alguas substâncias à pressão atosférica.
Transforações Téricas. Você pode identificar a teperatura de fusão e de ebulição de ua substância e interpretar o significado do calor latente, edindo sua teperatura enquanto lhe fornece calor, até que ela ude de estado. Derretendo o gelo até ferver! - Coloque alguns cubos de gelo e ua vasilha que possa depois ser levada à chaa de u fogão e deixe-os derreter edindo a teperatura antes e enquanto os cubos derrete. Não se esqueça de exer, de vez e quando, para anter o equilíbrio térico. Você pode ter encontrado u valor diferente de 100 o C durante a ebulição da água, pois essa é a teperatura de ebulição quando a pressão é de ua atosfera, isto é, ao nível do ar. Explicar porque a teperatura se anté constante durante a udança de estado, entretanto, é ais coplexo. Teos que recorrer novaente ao odelo cinético de atéria. Aquecendo-se ua substância no estado sólido, a rede cristalina se anté co as oléculas vibrando ais, ou seja, co aior energia cinética. Se o aqueciento continua, a velocidade das oléculas faz co que elas se afaste a ponto de roper a rede cristalina, o que acontece quando este aqueciento atinge a teperatura de fusão. É possível representar graficaente o aqueciento do gelo até sua vaporização. - Você vai observar que desde o oento e que o gelo coeça a derreter até que ele se transfore totalente no estado líquido, o terôetro arca a esa teperatura. Anote esse valor. Mas, se o sistea água e gelo continua trocando calor co o abiente, por quê a teperatura não variou? - Depois da fusão de todo o gelo você vai perceber que o terôetro indica teperaturas ais elevadas. A água está esquentando. - Coloque a água para aquecer sobre a chaa de u fogão. A partir do oento e que a água entra e ebulição, o terôetro se anté no eso nível enquanto houver água na vasilha. Anote essa teperatura. Por quê enquanto a água se transfora e vapor a teperatura não uda ebora ela receba calor? Todo o calor recebido pela substância é utilizado para roper a rede cristalina e por isso ela não te sua teperatura auentada. Esse é o calor latente de fusão. Para fundir u objeto de assa que está a teperatura de fusão teos que fornecer a ele ua quantidade de calor Q L f onde L f é o calor latente de fusão. Na ebulição as oléculas do líquido ao recebere calor, adquire aior energia cinética e se separa quando atinge a teperatura de ebulição, transforando-se e gás. O calor latente de vaporização (L v ) é o calor utilizado para separar as oléculas. Para vaporizar ua substância de assa que se encontra na teperatura de vaporização é necessário fornecer-lhe ua quantidade de calor Q L v. Na udança de estado e sentido contrário, o líquido cede calor ao abiente (é resfriado) para reorganizar suas oléculas nua rede, tornando-se sólido. Este processo é chaado de solidificação. O gás cede calor ao abiente (é resfriado) para aproxiar suas oléculas se liquefazendo. Neste caso, o processo é chaado condensação. CALCULE A QUANTIDADE DE CALOR NECESSÁRIA PARA VAPORIZAR 00G DE GELO QUE ESTÁ À -0 0 C. UTILIZE OS DADOS DAS TABELAS 1-1 E 15-1. Durante qualquer udança de estado a teperatura da substância se anté constante. 59
Os Materiais e as Técnicas. U lago gelado. Nos países de inverno rigoroso a superfície de rios e lagos se congela. Os icebergs flutua no ar de água salgada (ais densa que a água doce) co 90% do seu volue suberso. Vidro: Líquido ou Sólido? Abaixo do gelo, entretanto, a água peranece no estado líquido, o que garante a sobrevivência dos peixes. Este fenôeno está relacionado co u coportaento anôalo da água entre 4 o C e o seu ponto de fusão (0 o C). Noralente as substâncias se dilata na edida e que recebe calor. A água entretanto se dilata quando perde calor entre 4 o C e 0 o C, isto é, ela se torna enos densa. É por isso que o gelo flutua na água. As águas das superfície de rios e lagos e contato co o ar frio, nos países de inverno rigoroso, se congela. As oléculas de água ao forare a rede cristalina na solidificação (0 o C), fica distantes ua das outras ocupando u volue aior. Coo as caadas inferiores de água não entrara e contato co o ar frio elas se antê à teperatura de 4 o C, e por isso são ais densas que o gelo; suas oléculas não sobe ficando isoladas abaixo do gelo superficial, peranecendo no estado líquido. O vidro é fabricado a partir de ateriais fundidos de tal odo que não se cristaliza, peranecendo nu estado aorfo. É u líquido de viscosidade tão grande que na prática se coporta coo u sólido. A sílica ou quartzo (S i O ) é ua das raras substâncias que se esfria depois de fundidas se forar a rede cristalina. A sílica pura, que se obté da areia, entretanto é difícil de ser anipulada porque sua viscosidade é uito elevada e tabé o seu ponto de fusão bastante alto (1.73 o C). Para baratear o vidro junta-se soda à sílica, o que diinui o ponto de fusão, e cal (carbonato de cálcio) para tornar o produto insolúvel. Outras substâncias coo óxidos de agnésio são isturadas para dar ao produto a cor branca. Vidros especiais coo o Pyrex que suporta udanças bruscas de teperatura tê coo ingrediente o ácido bórico, que dá ao produto ua baixa dilatação térica. Quanto à técnica de fabricação, o vidro pode ser oldado, lainado e soprado. Na técnica de odelage a atéria pria é fundida, colocada e oldes e sofre a injeção de ar copriido que depois é extraído e as peças oldadas são recozidas, isto é, esquentadas novaente e fornos especiais para sere esfriadas lentaente evitando que se quebre facilente. As garrafas e vidros são fabricados por esse processo. No vidro lainado, a istura fundida passa entre grandes rolos e é deixada para esfriar, podendo depois ser polida. São os vidros de janelas ou espelhos. 60 É tabé devido ao fato do gelo ser enos denso que a água que os icebergs flutua. Alé disso, teos que lebrar que essas enores ontanhas de gelo são provenientes dos continentes, arrastadas para o ar no verão (época do degêlo) e são constituídas de água doce. Já a técnica de soprar, se constitui nua arte. O artesão sopra ua quantidade de vidro e fusão por u tubo. Fora-se ua bolha à qual ele vai dando fora usando ferraentas especiais. São objetos artísticos coo licoreiras, cálices, bibelôs.
16 Mudanças sob pressão. Auentou a pressão? O vapor está saturado? A água só ferve à 100 o C? Vai udar de estado? E que condição o feijão cozinha e enos tepo? 61
16 Mudanças sob pressão. Quando apresentaos a escala Celsius atribuios o valor 100 0 C à teperatura da água e ebulição. PORÉM, SERÁ QUE A ÁGUA SEMPRE FERVE À MESMA TEMPERATURA? HÁ ALGUM FATOR QUE ALTERE ISSO? A água só ferve a 100 0 C ao nível do ar devido à pressão atosférica que varia confore a altitude. A pressão atosférica é devida ao ar que exerce seu peso e toda a superfície da Terra. A pressão é resultante de ua força exercida por unidade de área,. Se alteraros a pressão, a ebulição da água não ocorrerá à teperatura de 100 0 C. É o que acontece nua panela de pressão que cozinha os alientos a pressões ais altas que 1 atosfera; isto faz co que a água só entre e ebulição a teperaturas de cerca de 10 0 C. Nua panela cou os alientos cozidos e água atinge no áxio a teperatura de 100 0 C. Quando quereos preparar u doce ou aquecer ua coida que não deve atingir altas teperaturas, o fazeos e banhoaria. Sendo cozido a teperaturas ais altas, nua panela de pressão por exeplo, o aliento fica pronto e enos tepo. Tabela 16.1 Altitude () Pressão (chg) P F A No Sistea Internacional (SI) a pressão é expressa e N/. 6 0 76 500 7 1000 67 000 60 3000 53 4000 47 5000 41 6000 36 7000 31 8000 7 9000 4 10000 1 Ao nível do ar a pressão atosférica assue seu valor áxio pois a espessura da caada de ar é a aior possível (a pressão atosférica é de 1 atosfera). Nesse nível, a pressão do ar equilibra ua coluna de ercúrio de 76 c contido nu tubo de 1 c de área de secção; isto foi concluído pelo físico Torricelli. 76 c de ercúrio equivale à pressão de ua atosfera. Quanto aior for a altitude enor será a pressão. 1atosfera 10 5 N/ MAS, SERÁ QUE A ALTERAÇÃO DE PRESSÃO INTERFERE NA EBULIÇÃO OU CONDENSAÇÃO DE UMA SUBSTÂNCIA? E SE DIMINUIRMOS A PRESSÃO, A ÁGUA VAI ENTRAR EM EBULIÇÃO A TEMPERATURAS MENORES DO QUE 100 0 C? Para conseguiros pressões enores do que 1 atosfera basta estaros e regiões de grandes altitudes. Nua ontanha de 6 000 etros de altura, por exeplo, a pressão atosférica é de 1/ atosfera e a água entraria e ebulição a 80 0 C. A tabela 16. nos dá alguns valores da teperatura de ebulição da água a diferentes pressões.
Transforações Téricas. Tabela 16. Teperatura de ebulição da água a diferentes pressões. P (at) P (Hg) T ( o C) 6,05x10-3 4,6 0,37x10-3 1,7x10 1 0 7,37x10-3 5,5x10 1 40 197,37x10-3 1,5x10 60 0,474 3,6x10 80 1 7,6x10 100 15,x10 10 5 38,0x10 15 10 76x10 180 0 15,x10 3 13 40 30,4x10 3 51 60 45,6x10 3 76 Fervendo sob pressão. O que acontece co a teperatura de ebulição da água se a pressão exercida for diferente da pressão atosférica noral? Para exainar os efeitos da pressão sobre a ebulição da água, utilize ua fonte de calor, u balão de vidro pyrex contendo 1/4 de seu volue de água e ua rolha co terôetro (até 110 0 C).Para coeçar, você pode conhecer a teperatura de ebulição da água sob pressão noral. Para isso, aqueça o sistea que deve estar aberto e co o terôetro. Qual é a teperatura? Co certeza, a pressão sobre a água teria auentado uito ipedindo a ebulição. Seria necessário aquecer ais para provocar nova ebulição nessas condições, o que ocorreria e teperaturas aiores que a encontrada anteriorente. Se você deixasse sair o vapor e fechasse novaente o balão, podeira provocar agora u efeito contrário. Mantendo o balão suspenso, esfregue pedras de gelo na sua parte superior, diinuindo a teperatura e portanto a pressão do gás sobre o líquido. Isso você pode fazer, não há perigo. O MONTE ACONCÁGUA NOS ANDES ESTÁ A 7000M DE ALTITUDE E O EVEREST, NO HIMALAIA, A 8000M. CONSULTE A TABELA E DESCUBRA O VALOR DA PRESSÃO ATMOSFÉRICA NO TOPO DE CADA PICO. QUAL A TEMPERATURA DE EBULIÇÃO DA ÁGUA NESSES LUGARES? Agora, o que você acha que aconteceria co a água se você fechasse a tapa do balão e antivesse o aqueciento? Cuidado, isso é uito perigoso, portanto NÃO FAÇA. Você acha que a ebulição continuaria? O que aconteceria co a teperatura? Ela volta a ferver? A que teperatura? Repetindo outras vezes esse resfriaento, qual a enor teperatura de ebulição obtida? Nesse experiento, qual situação é seelhante ao que ocorre nua panela de pressão? E a que ocorre e grandes altitudes? 63
Mudanças sob pressão. Por quê sob pressões diferentes a água ferve a teperaturas diferentes? Para responderos a essa pergunta deveos levar e conta o que ocorre co as oléculas de água e co as de ar. Na ebulição, as oléculas de água possue energia cinética suficiente para escapar pela superfície do líquido indo para o estado gasoso, na fora de vapor d'água. Por outro lado, a pressão atosférica exercida na superfície do líquido é devida ao grande núero de oléculas do ar que se choca co ela. A teperatura de ebulição de 100 0 C corresponde a ua energia cinética das olécula de água suficiente para elas escapare pela superfície apesar da pressão de 1atosfera exercida pelo ar. Exercícios. 01) Deterine as pressões no interior de ua panela cou e de ua panela de pressão co água fervente. A assa da tapa da panela cou e da válvula da panela de pressão é de 100g. O diâetro interno do pino da panela de pressão é de 0,c e o da panela cou é de 0c. Resolução: Coo P P + P P int int at v Na panela cou: P v F A πr tapa g tapa - R 10 10 1 P v 31, 1 10-1 1 10 10-1 π (1 10 ) 10-1 N 33 pressão no interior da panela. P at pressão atosférica. P v pressão do vapor d'água. P (1 10 33) 1 10 N 5 5 int + 64 Quando se auenta a pressão do ar sobre a água, as oléculas de água necessita de aior energia cinética para vencer a pressão externa. Nesse caso, a teperatura de ebulição será aior que 100 0 C. Quando se diinui a pressão sobre o líquido fica facilitado o escape das oléculas de água do estado líquido para o gasoso; eso oléculas dotadas de enor energia cinética consegue escapar da superfície, o que caracteriza ua teperatura de ebulição enor que 100 0 C. Na panela de pressão: P v Assi: F A πr válvula pino -1 g 1 10 10-3 3,1 (1 10 ) -3 R 0,1c 10 1 N 5 P v 33, 10 6 3 10 P int 1 10 + 33, 10 4, 3 10 5 5 5 N Note que na panela de pressão a pressão interna é e torno de quatro vezes aior do que a de ua panela cou.
17 O ais frio dos frios. Pode-se aquecer ou resfriar ua substância indefinidaente? Coo se ede teperaturas uito baixas? Experiências sofisticadas de laboratório e que se resfria gases coo o hidrogênio, nitrogênio ou hélio, aponta para o enor valor de teperatura possível e que não pode ser atingido na prática. Essa teperatura é chaada de zero absoluto e define ua nova escala de teperatura. Para estudar os gases precisaos utilizar essa nova escala de teperatura, a Escala Kelvin. 65
17 O ais frio dos frios. Para edir e controlar teperaturas utilizaos e nossos estudos as propriedades das substâncias de eitire luz e se dilatare quando aquecidas, "construindo" pirôetros ópticos, terostatos e terôetros de ercúrio ou de álcool. Esses terôetros entretanto não são capazes de avaliar teperaturas uito baixas pois essas substâncias teroétricas tabé congela a ua certa teperatura. Medidas de teperatura uito baixas pode ser realizadas co alguas substâncias no estado gasoso.nesse estado, para que o gás fique be caracterizado é preciso conhecer a que pressão ele está subetido, o seu volue e sua teperatura. próxia atividade, buscando entender, a construção de u terôetro a gás. Enchendo o balão U recipiente de vidro co ua rolha furada e ua bexiga de borracha presa a ela pode servir para você observar o coportaento do ar quando aquecido ou resfriado. 66 ENQUANTO AS PESQUISAS APONTAM PARA UM LIMITE INFERIOR DE TEMPERATURA, O "FRIO ABSOLUTO", NADA LEVA A CRER QUE HAJA UM LIMITE PARA ALTAS TEMPERATURAS. EM PRINCÍPIO PODE-SE AQUECER UMA SUBSTÂNCIA INDEFINIDAMENTE. Na escala Celsius as edidas de teperatura são relativas pois tê os pontos de fusão do gelo e de ebulição da água coo referências. O zero grau Celsius, por exeplo, não significa u valor zero absoluto e si que a substância se encontra à teperatura de fusão do gêlo.tanto a escala Celsius coo a Fahrenheit só são úteis quando quereos trabalhar co variações de teperatura. No caso dos gases, os anôetros ede pressões co ua escala que se inicia no ponto zero, co u significado físico de pressão zero, e o volue ( 3 ) tabé é toado a partir de u volue zero. Assi, coo não te significado físico ua pressão ou volue negativos, a teperatura absoluta de u gás tabé não pode ser enor do que zero. Foi preciso, então, encontrar ua escala à qual se atribuísse a teperatura ais baixa possível, o ponto zero. Os gases, por se dilatare ais do que os líquidos e sólidos, se ostrara ua boa substância teroétrica para ser usada nu "edidor" de teperatura absoluta. Alé disso, a ua alta teperatura e baixa pressão todos os gases se coporta da esa aneira, e o seu coeficiente de dilatação nestas condições é sepre o eso. Chaaos este tipo de substância de gás ideal. Você pode verificar a expansão e contração do ar co a Coloque esse conjunto dentro de ua vasilha de água quente e observe o que ocorre co o volue da bexiga. Ela ostra o que acontece co o ar do recipiente de vidro. Coloque e seguida o conjunto dentro de ua vazilha de água gelada. O que ocorre agora co o volue da bexiga? O que você pode dizer sobre o núero de oléculas de ar dentro do conjunto durante o aqueciento e o resfriaento? E quanto ao coportaento da pressão? Experiências siples coo esta, feitas co ar, ostra que os gases dilata bastante quando aquecidos e contrae quando resfriados. MAS, DE QUANTO DILATA UM GÁS? COMO ESSA PROPRIEDADE PODE SER USADA PARA SE CONSTRUIR UM MEDIDOR DE TEMPERATURA ABSOLUTA?
Transforações téricas U terôetro a gás a pressão constante. Se colocásseos gás nu tubo longo de vidro de 1 de secção (área) confinado por ua gota de ercúrio perceberíaos a gota de ercúrio subir ou descer, quando o tubo fosse aquecido ou resfriado. A variação do volue do gás e função da teperatura obedece ua regra uito siples. Mergulhando o tubo nua vasilha de água e ebulição, ou seja, a teperatura de 100 0 C o copriento da coluna de gás seria de 373. Se a água fosse resfriada a 50 0 C a altura de coluna passaria a 33.Veja que houve ua diinuição no copriento da coluna de 50. Colocando o tubo e água co gelo a 0 0 C o copriento da coluna de gás seria de 73. Neste caso, o copriento da coluna teria diinuido ais 50. O diagraa ao lado ostra que o volue do gás será zero quando a teperatura for -73 0 C. U volue reduzido a zero significa que as oléculas se ovientaria o ínio possível, nestas condições a energia das oléculas seria ínia, praticaente só a energia de configuração dos átoos e oléculas do gás. Da esa aneira não há colisões das oléculas co as paredes do recipiente, o que é interpretado coo ua pressão ínia possível. O FATO DA ENERGIA CINÉTICA TOTAL DAS MOLÉCULAS SER PRATICAMENTE ZERO É INTERPRETADO COMO UMA TEMPERATURA ABSOLUTA ZERO. Essa teperatura -73 0 C foi chaada de zero absoluto por Wilian Topson, que recebeu o título de Lord Kelvin e 1848. Na prática, o ponto zero absoluto não pode ser atingido. A enor teperatura edida e laboratório foi de fração de grau acia do zero absoluto. Nestas situações, a pressão do gás seria constante (pressão atosférica) e o volue do gás seria proporcional ã variação de sua teperatura. Co esse terôetro, poderíaos descobrir a teperatura do gás, edindo-se o seu volue. O volue é a propriedade teroétrica desse terôetro. Reduzindo ais a teperatura, se que o gás se condensasse, o que se conseguiria e laboratórios especializados, o seu volue seria de 73 3 à -00 0 C. U gás considerado perfeito ou ideal te sepre seu volue diinuído de 1/73 para cada redução de teperatura de 1 grau centígrado. Esse coportaento caracteriza os gases perfeitos. Foi chaada de escala Kelvin ou escala absoluta a escala terôétrica que atribuiu ao zero absoluto o ponto zero; a teperatura de fusão da água o ponto 73K e a teperatura de ebulição da água o ponto de 373K. Assi, tal coo na escala Celsius, entre o ponto de fusão e o de ebulição da água teos ua diferença de 100 0 C, na escala Kelvin tabé teos ua diferença de 100K. É ESSA ESCALA DE TEMPERATURA ABSOLUTA QUE USAREMOS PARA ESTUDAR OS GASES. 67
68 O ais frio dos frios. Kryosgennáo Criogenia é o estudo da produção de baixas teperaturas, inferiores a 73,15 K (0 0 C). E 1911 foi observado pela prieira vez que alguns etais coo o ercúrio tornava-se supercondutores, isto é, conduzia eletricidade se oferecer resistência quando congelados perto do zero absoluto. Coo essas baixas teperaturas só pode ser obtidas co generosa aplicação do hélio líquido, uito caro, as pesquisas continuara buscando a supercondutividade a teperaturas ais elevadas. A partir de 1985 fora descobertos novos ateriais: o óxido de cobre a 35 K, óxidos cerâicos baseados e terras raras coo o ítrio, por exeplo, a 98K, tornavase supercondutores a teperaturas e que o nitrogênio, be ais barato, já podia substituir o hélio. Cerâicas supercondutoras de cobre, ítrio e bário que funciona be a -148 0 C, co estrôncio e cálcio chega a funcionar a teperaturas de -103 0 C. Pesquisadores de todo o undo se epenha na busca de ateriais supercondutores de alta teperatura para fabricação de chips de coputadores, fibras ópticas, etc.., O tre bala Eletroíãs supercondutores feitos co fios de liga de nióbio, a teperaturas de aproxiadaente 0K, são colocados logitudinalente na parte inferior do tre, enquanto os trilhos são dotados de chapas de aluínio na esa direção dos eletroíãs. Quando o tre se ove a direção das linhas do capo agnético dos eletroíàs perpendicular as superfícies das chapas, induz correntes elétricas que, por sua vez, interage co as dos eletroías. Isto provoca ua repulsão que ergue o tre a uns 10 c do chão fazendoo deslizar sobre u colchão agnético, o que perite velocidades da orde 500 K/h. O tre só se apoia sobre rodas quando está e baixas velocidades ou parado. Criogenia: A indústria do "uito frio". Tecnologia: Nitrogênio líquido. O nitrogênio líquido é fabricado a partir da liquefação do ar o que se consegue atingindo a teperatura de 77K. É epregado na edicina, veterinária e na tecnologia. Medicina: Bisturi criogênico. Nesse bisturi utiliza-se a circulação de nitrogênio líquido e controla-se a teperatura desejada a partir de u aquecedor. O uso desse instruento perite que só a parte a ser reovida do tecido seja subetida a baixas teperaturas preservando-se os tecidos sadios. As cicatrizações das incisões feitas co esse bisturi são ais rápidas e co enores riscos de infecção. Veterinária: Banco de Seen. Os bancos de Seen conserva à teperatura de 77K o seen de aniais reprodutores utilizados e inseinações artificiais e enviados para locais distantes, congelados através de ebalagens onde circula o nitrogênio líquido. Abiental: Controle de poluição do ar. Controle de filtros que, dependendo do aterial e da teperatura e que se encontra (baixas teperaturas), absorve gases poluentes. Abiental: Siulação de abientes espaciais. Retirando as oléculas do ar pelo processo de absorção a baixas teperaturas, consegue-se pressões uito baixas que siula abientes extra terrenos. Tecnologia: Trataento de etais. Co o trataento do aço através do nitrogênio líquido nu processo elaborado se choques téricos obtése u aço ais duro e resistente ao desgate. Tecnologia: Aproveitaento de pneus descartados. Pneus velhos e plásticos, após o congelaento co nitrogênio líquido, são pulverizados e isturados co asfalto para pavientação. Essa istura nas proporções adequadas torna a superfície ais aderente do que o asfalto cou. Alé disso utiliza aterial que por não ser biodegradável se constitui nu problea para a reciclage do lixo. Tecnologia: Quebra de castanhas do Pará. As cascas das castanhas quando subetidas a baixas teperaturas são quebradas facilente se que o fruto sofra alterações.
18 Transforações Gasosas. E terôetros a gás, bobas de encher pneus, balões, aparelhos respiratórios para subersão, etc. ocorre transforações gasosas. Sepre que u gás é resfriado ou aquecido os valores de sua pressão e volue se altera. Há ua regra para essas alterações? A copressão ou a descopressão de u gás tabé provoca variações no seu volue e na sua teperatura absoluta? Experiências realizadas co gases, antê constante ua das grandezas: teperatura, pressão ou volue, avaliando coo varia as outras duas e estabelecendo leis para as transforações gasosas. 69
18 Transforações Gasosas Transforação isobárica. Coo vios na leitura anterior é possível descobrir a teperatura absoluta de u gás edindo-se o seu volue. Neste tipo de transforação gasosa que ocorre a pressão constante (isobárica) o volue do gás é diretaente proporcional à sua teperatura absoluta, o que pode ser representado através da relação: V T V T 1 1 constante Lei de Charles-Gay Lussac onde os índices 1 e caracteriza a prieira e a segunda condição do gás. Terôetro a gás a volue constante. Para estudar a variação da pressão de u gás antido a volue constante utiliza-se u dispositivo contendo ua certa quantidade de gás, isolado do abiente por u tubo flexível e fora de U contendo ercúrio, u terôetro a gás a volue constante. U anôetro indica valores da pressão. Transforação isovoluétrica. No entanto, podeos aquecer ou resfriar u gás antendo constante o seu volue e observando coo sua pressão varia.(veja no quadro ao lado o funcionaento de u terôetro a gás a volue constante) A pressão indicada no anôetro auenta proporcionalente co a teperatura absoluta do gás, o que pode ser representado pela equação: Lei de Charles-Gay Lussac P1 T 1 P constante T U gás pode ter sua teperatura antida constante e sofrer ua transforação onde a pressão e o volue varia. Esse estudo foi realizado por Boyle (Veja no quadro ao lado a sua experiência.) Quando o gás é aquecido o seu volue pode ser antido constante elevando a extreidade do tubo de odo que o ponto N peraneça fixo. A altura h do tubo que conté ercúrio equilibra a pressão do gás contido no reservatório. Quando o gás é resfriado, ao contrário, a extreidade do outro tubo deve ser abaixada. A teperatura do gás é calculada através da pressão indicada no anôetro. 70 Transforação isotérica. ESSA CURVA É CHAMADA ISOTERMA. Se a pressão do gás auentar o seu volue diinui de tal odo que vale a relação: Lei de Boyle P1V 1 PV constante U gás tabé pode passar de ua condição (estado) para outra variando ao eso tepo a pressão, o volue e a teperatura. Essa transforação obedece ao eso tepo as três equações apresentadas, isto é: Equação Geral dos Gases PV 1 1 PV cte T T 1 A experiência de Boyle. No estudo dos gases realizado por Boyle foi utilizado u tubo e U fechado e ua extreidade e aberto na outra contendo gás e ercúrio. Mantendo a teperatura constante Boyle provocou alterações na pressão observando coo o volue do gás variava. A pressão pode ser variada alterando a altura de ercúrio do rao direito, antendo constante a teperatura.
Transforações téricas Ua iportante propriedade dos gases foi apresentada por Avogrado: "u ol de qualquer gás nas condições norais de teperatura e pressão, ocupa sepre o eso volue de,415 litros e possui 6,0.10-3 oléculas (N o )." O ol de ua substância é sua assa olecular expressa e graas. Por exeplo: u ol de gás de oxigênio (O ) 3g u ol de gás hidrogênio (H ) g u ol de água (H O) 18g Se aplicaros a equação geral dos gases a u ol de gás, o resultado será sepre o eso para qualquer gás: PV T 1at,4l 73K O resultado é a constante universal dos gases: (N/ ). R 8,31 ol. K Para u ol de u gás: Para n oles de u gás: P.V nrt R 0,08 (1,013 10 3 P.V T cal 1,986 ol. K at.l ol.k 5 R P.V nr T )N/ 73K 0,04, ou Equação dos gases perfeitos ou equação de Clapeyron. 3 Teoria cinética dos gases. A pressão de u gás sobre as paredes do recipiente está relacionada co a energia cinética édia das oléculas e a teperatura absoluta através das seguintes relações: 3 Ec N..v P kt 1 3 k 1,38 10 V MACROSCÓPICA assa teperatura pressão volue, onde: -3 3 N V N nn 0 J olecula.k Co essas equações relacionaos pressão e teperatura que são grandezas acroscópicas co a energia cinética, que é ua grandeza icroscópica. Portanto, é possível estabelecer ua equivalência entre ua grandeza acroscópica e ua grandeza icroscópica. E e c k Constante de Boltzan MICROSCÓPICA núero de oléculas R N 0 energia cinética choque das oléculas co as paredes distância édia entre as oléculas n núero de oles N núero de oléculas V volue assa de cada olécula v velocidade das oléculas N 0 6,0x10 3 oléculas por ol Exeplo: 01) Qual é a energia cinética édia por olécula à teperatura abiente? Resolução: Se: t 0 C73+95K 3 Ec kt 3 Ec 95 1, 38 10 3 3 E c 407, 10 1 J E 6,105-1 c 10 J 71
7 Transforações Gasosas 01) U quíico recolhe u gás a 18 0 C, cujo volue é de 500c 3. Para diensionar a capacidade do recipiente ele precisa conhecer qual será o volue do gás a 0 0 C se a pressão for antida constante. Deterine o volue do gás. Resolução: Coo a pressão é constante, a transforação é isobárica.assi, para a teperatura de 18 0 C podeos escrever: T 1 18 0 C 18 + 73 91K V 1 500c 3 Para a teperatura 0 0 C, teos: T 0 0 C 0 + 73 73K V? V Se: 1 V 500 V T T 91 73 1 500 73 3 Portanto: V 469c 91 0) U balão etereológico conté 75000 3 de gás hélio quando está na superfície da Terra à pressão de ua atosfera. Ao alcançar ua altitude de 0K o seu volue atinge 1500000 3. Aditindo que a teperatura do gás se anté constante, qual a pressão do gás hélio nessa altura? Resolução: V 1 75000 3 P 1 1atosfera 10 5 N/ V 1500000 3 P? Exercícios. Coo a teperatura se anté constante: P 1V 1 P V 5 75000 10 3 N P 5 10 1500000 0 vezes enor que a pressãp inicial. 03) U freezer, regulado para anter a teperatura e seu interior a -19 0 C, foi fechado e ligado quando a teperatura abiente estava a 7 0 C. a) Deterine a pressão e seu interior após u certo tepo de funcionaento. b) Copare esse valor co o da pressão interna do freezer nu abiente cuja teperatura seja 40 0 C. OBS: - Você pode considerar que o ar no interior do freezer se coporta coo u gás ideal. - Coo o volue do ar não se altera, V 1 V. - P 1 é a pressão do local, ua atosfera. - Você deve usar a teperatura absoluta. 04) Considerando que u otor a diesel esteja funcionando a ua taxa de copressão de 14:1 e que a teperatura do ar e seu interior atinja o valor de aproxiadaente 700 0 C, calcule o áxio valor da pressão do cilindro antes da injeção do diesel, sabendo que a teperatura abiente é de 7 0 C e a pressão é de 1 atosfera. OBS: 5 10 75000 1500000 - A pressão inicial do ar na câara é a do local, 1 atosfera. - O volue inicial do ar é V 1 e o final é V 1 /14. - Use teperaturas Kelvin. P Considerações sobre o exercício 04. Nos otores a diesel, o cobustível é injetado no interior de ua câara de cobustão que conté ar copriido a alta teperatura e sofre cobustão espontânea, dispensando, assi, a vela de ignição. O ar contido na câara é retirado do abiente e altaente copriido até que seu volue fique reduzido cerca de 14 a 5 vezes e relação ao volue inicial.