Pressão, Volume e Temperatura - Física | Manual do Enem
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Pressão, Volume e Temperatura
Publicado por Jaime Bozzetto –
2) Estudo dos gases na Físico-Química
3) Pressão
6) Resumo de fórmulas
Os conceitos de pressão, volume e temperatura, especialmente de gases, podem parecer bem simples para nós, afinal, são conceitos que usamos com certa frequência no cotidiano.
Sabemos que gases possuem temperatura, pois sentimos isso quando o ventilador ou o ar condicionado sopra um vento gelado sobre nós. Também podemos notar que podem exercer pressão ou "força" sobre um recipiente. Aplicamos essa ideia ao calibrar o pneu do carro, por exemplo, quando o pneu que estava vazio começa a endurecer devido à pressão exercida pelo ar com que o enchemos.
Ao encher um balão, também notamos que gases ocupam volume e que, ao furar esse balão, ele murcha, pois o gás agora vai ocupar um volume maior: o do ambiente no qual estava o balão.
Entretanto, definir cada um desses conceitos e compreender o que eles representam física e quimicamente é uma tarefa um pouco mais difícil. É, porém, necessário, pois, no estudo dos gases ideais, é mais importante saber como determinar e relacionar essas três grandezas do que conhecer a natureza do gás em si.
Estudo dos gases na Físico-Química
Normalmente, para a Físico-Química, é mais importante saber a pressão, o volume e a temperatura de uma amostra gasosa do que saber se essa amostra é de hidrogênio, metano ou gás carbônico.
Isso fica evidente quando estudamos a chamada Lei de Avogadro. Essa lei diz que volumes iguais de gases diferentes submetidos a mesmas condições de pressão e temperatura apresentam mesmo número de mols.
Note que este resultado independe de quais gases nós estamos falando, dependendo apenas de terem mesmo volume, pressão e temperatura.
Pressão pode ser definida como força aplicada dividida pela área sobre a qual se aplica essa força.
No sistema internacional de medidas (SI), medimos força em N (newtons) e área em m2 (metros quadrados), de modo que a unidade de pressão no SI é N/m2 (newtons por metro quadrado). Essa unidade também recebe o nome de Pa (pascal), em homenagem a Blaise Pascal, físico francês.
Trazendo essa definição para o mundo dos gases, a pressão exercida por um gás é consequência das colisões das partículas (átomos ou moléculas) desse gás com as paredes do recipiente.
Uma bexiga permanece cheia graças à pressão do gás no seu interior. Isso se deve ao fato de que essa pressão é consequência de um número gigantesco de moléculas, que colidem a elevadas velocidades e com uma frequência muito grande contra o recipiente, formando uma verdadeira "tempestade" molecular.
Outro exemplo que pode ser citado é a dificuldade que os alpinistas enfrentam com as baixas pressões nas proximidades do cume das montanhas. Ou então, a necessidade das cabines de aviões serem pressurizadas para que os passageiros, acostumados com pressões mais elevadas, possam respirar normalmente. De qual pressão estamos falando nesses casos?
Para responder a essa pergunta, devemos lembrar que o nosso planeta está revestido por uma camada de gases com quase 100km de espessura, denominada atmosfera.
Ainda que possamos não senti-la, somos diariamente expostos à tempestade de moléculas da atmosfera que atinge a superfície terrestre. A pressão exercida pelos choques das moléculas da atmosfera com a superfície terrestre é o que denominamos Pressão Atmosférica.
A pressão atmosférica foi determinada pela primeira vez num famoso experimento realizado pelo físico italiano Evangelista Torricelli. Ele utilizou um instrumento denominado barômetro, que consiste essencialmente de um tubo contendo uma coluna de mercúrio (Hg), emborcado numa espécie de bacia também contendo mercúrio.
O peso que a coluna de líquido exerce sobre a base gera uma pressão que, para uma determinada altura da coluna, se iguala à pressão atmosférica. Determinando a pressão da coluna, pode-se calcular a pressão atmosférica.
Barômetro de Torricelli: quando a coluna de Hg entra em equilíbrio, a pressão que ela exerce sobre a base torna-se igual à pressão atmosférica.
Note que, se existir ar ou outra porção gasosa acima da coluna - ao invés de vácuo -, a pressão exercida por essa porção comprometerá a precisão do experimento, pois a pressão atmosférica será igual a pressão da coluna mais a pressão desse gás. Contudo essa última pressão é difícil de determinar.
Torricelli realizou esse experimento no nível do mar e obteve o valor de 76 cm ou 760 mm para a altura da coluna de mercúrio.
Mas, como fazemos para saber quantos Pa são correspondentes a esses 760 mmHg? Para isso, basta lembrar que a pressão da coluna é devido ao peso desta. Logo:
Nesta fórmula, A corresponde à área da secção do tubo. Chamando a densidade do mercúrio de d, temos que m=d.V, em que V é o volume de mercúrio e pode ser escrito como A.h, sendo h a altura da coluna. Assim:
Esse último resultado é conhecido como Lei de Stevin e é de extrema utilidade para determinar a pressão exercida por uma coluna de fluído.
Para o caso de Torricelli, a densidade do mercúrio é de 13600 kg/m3 e a aceleração da gravidade g vale aproximadamente 9,8 m/s2. Dessa forma, sabendo que 76 cm é o mesmo que 0,76 m, temos:
Já que esse valor equivale à pressão atmosférica, foi apelidado de 1 atm. Dessa forma, a tabela de conversões de unidades de pressão torna-se a seguinte:
Outra unidade que merece destaque na preparação para o vestibular é o bar que é definido da seguinte maneira:
O valor que Torricelli obteve, entretanto, não é fixo: ele vale apenas para o nível do mar.
De modo geral, conforme a altitude local aumenta, a pressão atmosférica diminui. No Monte Everest, por exemplo, a coluna de mercúrio precisa ter apenas 240 mm para se igualar à pressão atmosférica.
A pressão atmosférica, contudo, nem sempre é levada em consideração.
Considere, por exemplo, um pneu vazio. Pode parecer intuitivo que a pressão no interior desse pneu é zero, certo? Contudo, pelo fato de ele estar exposto à atmosfera terrestre, sua pressão é igual a 1 atm.
Ao enchermos esse pneu, seu valor passa a se tornar superior a 1 atm. Além da pressão atmosférica, teremos também a pressão exercida pelo próprio gás injetado. A pressão exercida exclusivamente por esse gás é denominada pressão manométrica e pode ser obtida como a diferença entre a pressão total do pneu e a pressão atmosférica, como aponta a fórmula seguinte:
Os dispositivos utilizados para determinar a pressão no interior de um recipiente, desconsiderando os efeitos da pressão atmosférica, são denominados manômetros, pois medem a pressão manométrica.
Manômetro utilizado para determinar a pressão de gases durante a extração de petróleo bruto.
O conceito de volume sempre está associado à porção do espaço ocupada. Contudo, já vimos que gases possuem elevada capacidade de expansão e compressão (lembre-se que o ar dentro da bexiga pode facilmente se expandir e ocupar toda a sala).
Desse modo, dizemos que o volume ocupado por um gás é igual ao volume do recipiente que o contém.
Essa é uma grande diferença dos gases quando comparados com líquidos, por exemplo. Um litro de água sempre será um líquido, independentemente de estar num copo, numa garrafa ou fluindo num rio. Já o gás muda seu volume para se adequar a cada recipiente.
As conversões entre unidades de medida de volume são:
A temperatura de um corpo pode ser definida como grau médio de agitação das suas partículas. Portanto, corpos quentes possuem seus átomos ou moléculas se movimentando mais rápido do que corpos frios.
Essa definição também serve para gases, ou seja, a temperatura de um gás é proporcional a quão rápidas suas partículas estão se movendo.
Ainda que a unidade de temperatura com a qual estamos mais acostumados seja o Celsius, no estudo dos gases ideais será necessário o uso da escala Kelvin. Esta é a escala de temperatura no SI. A conversão entre as unidades é simples e feita da seguinte forma:
Um dos motivos que torna a escala Kelvin mais apropriada fisicamente que a escala Celsius é o fato de a escala Kelvin só apresenta valores positivos de temperatura. Isso se deve ao fato de que a temperatura de 0 K (zero Kelvin) equivale à temperatura na qual cessam todas as agitações e movimentações de partículas, sendo denominada zero absoluto.
A temperatura de zero absoluto, até hoje, nunca foi alcançada.
(Mackenzie – SP) )
Considerando dois gases com comportamento ideal, CH4 e C2H6 , contido em compartimentos separados e fechados, ambos com volumes iguais a 10 L, sob as mesmas condições de temperatura e pressão, de acordo com a hipótese de Avogadro, pode-se afirmar que ambos os gases: