GASES

Introdução

    Para percebermos a importância dos gases, basta observarmos que toda a camada que envolve o planeta, a atmosfera, é constituída de gases, tais como: oxigênio, hidrogênio, gases nobres, entre outros. Outro ponto interessante também são as transformações gasosas, tais como uma panela de pressão no fogo, o aquecimento dos gases que causam os ventos, a diferença de pressão que faz com que haja deslocamento de massas gasosas, e que faz, entre muitas coisas, que haja poluição, devido à grande quantidade de gases expelidos pelas fábricas, causando estragos para a natureza. 

Abordagem Téorica

Gás

    É uma substância que não possui forma e nem volume constante, adaptando-se à forma e ao volume do recipiente no qual está incluso. É constituído de pequenas moléculas que se movimentam desordenadamente. As principais características físicas mais importantes dos gases são a compressibilidade e a expansibilidade. Quando são submetidos a pressões pequenas eles sofrem variações de volumes grandes (compressibilidade) e que tendem a preencher todo espaço que lhes é oferecido (expansibilidade).

As variáveis de estado de um gás

    Estados do gás: um gás se define de acordo com certas variáveis, chamadas de variáveis de estado do gás. São elas:

-     pressão (p), que é o resultado do choque das moléculas contra as paredes do recipiente. Sua unidade pode ser N/m² (chamada de pascal) ou atm (atmosfera), ou ainda mmHg.
      A relação entre as unidades é:

      1 atm = 10⁵ N/m² (Pa) ou 760mmHg = 1 atm

-      volume (V), é a capacidade que um gás tem de se expandir espontaneamente, ocupando todo o volume do recipiente que o contém.

-      temperatura (T), mede o grau de agitação térmica das moléculas (sempre na escala Kelvin). Se estiver em outra escala temos que transformar para Kelvin, conforme fórmula abaixo:
         Tk = Tc + 273


Modelos    

    Existem duas categorias de gases: os gases reais e os gases ideais ou perfeitos.

-      Real: é o gás normal, onde existem interações entre suas moléculas, o que torna muito difícil seu estudo, porque, além das variáveis de estado, ainda temos que nos preocupar com suas interações.

-      Ideal: neste tipo de gás, podemos desprezar as interações entre as suas moléculas, e nos preocuparmos somente com as variáveis de estado. Iremos considerar um gás real como ideal, sob duas condições:

• baixas pressões;
• altas temperaturas.

     Para encontrarmos ainda a equação dos gases, precisamos ainda de um conceito da química chamado "mol" (n), que expressa uma certa quantidade de moléculas. Mol é a quantidade padrão de moléculas de um gás. Quando temos um mol de um certo gás, dizemos que temos 6,02 x 10²³ moléculas deste gás.

    Podemos calcular o número de mols n (plural de mol) de uma substância pela relação:

    Onde:

    n = n° de mols da substância

    m = massa em gramas

    M = massa molecular do gás em grama/mol.

    Obs: A massa molecular (M) é a massa em grama de uma molécula, obtida multiplicando-se as massas em gramas dos átomos pelo respectivo número de átomos presentes na molécula:

    Exemplo:

    H₂O => 2 x 1g + 1 x 16g = M = 18 g/mol.

Equação geral dos gases ideais

Equação de Clapeyron

    Verificando a dependência entre as variáveis de estado, Paul-Emile Clapeyron, físico francês, estabeleceu a relação entre as variáveis de estado um gás ideal.

    A relação é:

    onde:

    p = pressão do gás

    V = Volume do gás

    n = número de mols do gás

    R = Constante universal dos gases perfeitos.

    T = temperatura absoluta do gás.

    A constante universal dos gases ideais pode admitir dois valores:

1°)    Se o volume for dado em m³, e a pressão em N/m², utilizamos R como sendo igual à:

                              R = 8,31 J/K.mol

2°)    Se o volume for dado em L e a pressão em atm, utilizamos R como sendo igual à:

                              R = 0,082 atm.L/K.mol

    Estas constantes foram obtidas nas chamadas CNTP (Condições Normais de Temperatura e Pressão). São elas:

                              p = 1 atm

                              T = 0°C (273k)

    Ainda em CNTP, podemos dizer que um mol de moléculas de gás ocupa 22,4 litros de volume.

    Observação:

-    os gases se dilatam igualmente, não importando que sejam gases diferentes.

    Relacionando dois estados quaisquer de dada quantidade de gás, obtemos essa equação que representa a Lei geral dos gases perfeitos:

                         p₁. V₁ = p₂ . V₂

                             T₁         T₂ 

Transformações Gasosas

    Se um gás possui um certo conjunto de valores das variáveis de estado e, no mínimo, duas deles sofrerem alterações, dizemos que o gás passou de um estado para outro, isto é, sofreu uma transformação gasosa:

    Na maioria das vezes, quando um gás passa de um estado para outro, uma das variáveis permanece constante, simplificando os cálculos. Temos três tipos particulares de transformações gasosas:

1. Transformação ISOTÉRMICA;
2. Transformação ISOBÁRICA;
3. Transformação ISOVOLUMÉTRICA.

    Vejamos cada caso:

    TRANSFORMAÇÃO ISOTÉRMICA 

    (T = constante)

    Um gás pode passar de um estado para outro de maneira que sua temperatura permaneça constante. Para isto ocorrer, na experiência abaixo foi adicionada lentamente pressão sobre o êmbolo, para que se mantivesse o equilíbrio térmico:

    Percebemos que, à medida que aumenta a pressão, o volume diminui, ou seja, p e V são inversamente proporcionais, isto quer dizer:

     

    Esta relação é conhecida como Lei de Boyle

    Ou seja:

    TRANSFORMAÇÃO ISOBÁRICA

    (p = constante)

    Quando um gás é aquecido e está num recipiente com um êmbolo móvel, sofre uma mudança de estado, passando a ocupar um volume maior, mas, no entanto, a pressão externa sobre ela não se altera. Se o gás passar de um estado para outro sem alterar a pressão, dizemos que ele sofreu uma transformação isobárica, conforme o desenho abaixo:

    Percebemos que, à medida que se aumenta a temperatura, aumenta o volume do gás, ou seja, o volume é diretamente proporcional à temperatura. Sendo assim, podemos afirmar que:

    Esta relação é conhecida como

    Lei de Gay-Lussac

    Ou seja:

    TRANSFORMAÇÃO ISOVOLUMÉTRICA (ou ISOCÓRICA)

    (V = constante)

    Existe uma transformação em que o gás é aquecido ou resfriado e o mesmo se encontra num recipiente fechado. Se o gás passar de um estado para outro e o volume não se alterar, dizemos que ocorreu uma transformação isovolumétrica, conforme segue:

    Conforme vemos, se aquecermos ou resfriarmos um gás confinado numa caixa de volume fixo, sua pressão se altera, bem como sua temperatura, nos levando à seguinte conclusão:

    Esta relação é conhecida como Lei de Charles

    Ou seja: 

Exercícios Resolvidos

    1. Um recipiente cúbico de aresta 20cm contém um gás à pressão de 0,8 atm. Para outro cubo de aresta 40cm, qual será a pressão do gás mantendo-se constante a sua temperatura?

Resolução:

    V₁ = 20 x 20 x 20 = 8.000 cm³

    V₂ = 40 x 40 x 40 = 64.000 cm³

    p₁ = 0,8 atm

 Aplicando a fórmula para Transformação Isotérmica (T=constante) temos:

    p₁ . V₁ = p₂ . V₂

    0,8 . 8.000 = p₂ . 64.000

  

    p₂ = 0,1 atm

    2. Com base no gráfico a seguir, que representa uma transformação isovolumétrica de um gás ideal, podemos afirmar que, no estado B, a temperatura é de:

Resolução:

Transformamos a temperatura para Kelvin:

T₁ = 273 + 20 = 293K

p₁ = 2

p₂ = 4

T₂ = ? (iremos encontrar)

Aplicamos a fórmula:

p₁ = p₂

T₁    T₂

  2   = 4

293   T₂

T₂ = 586K ou 313°C

    3. Uma massa de ar ocupava um volume de 1 L, quando a sua temperatura e sua pressão eram, respectivamente, iguais a 20°C e 1atm. Esta massa de gás foi comprimida isotermicamente até ocupar um volume de 0,5 L.

   a) Qual a temperatura da massa de gás no final do processo?

Resolução:

Como é uma transformação isotérmica, a temperatura no estado inicial e no estado final do gás é a mesma, ou seja:

20°C, que equivale a 293K (Kelvin)

   b) Qual a pressão da massa de ar no final do processo?

Resolução:

     p₁ . V₁ = p₂ . V₂

     1 . 1 = p₂ . 0,5

     p₂ = 2 atm.

HIPERTEXTO

O efeito estufa faz mal?

    O efeito estufa é um fenômeno natural, ou seja, existe na natureza, independente da ação do homem e das atividades econômicas. Ele é causado pela presença de determinados gases na atmosfera terrestre e, por este motivo, estes gases são chamados de gases efeito estufa.

    Sem a ajuda do esfeito estufa, o Sol não conseguiria aquecer a Terra o suficiente para que ela fosse habitável, pois a temperatura média do planeta estaria em torno de 17°C negativos e sua superfície coberta de gelo.

    O efeito estufa garante  que a temperatura média do planeta esteja atualmente aos 15 °C, portanto mais ou menos 32°C acima do que seria sem ele. Além disso, sem o efeito estufa, o planeta estaria sujeito a variações bruscas de temperatura entre a noite e o dia, como acontece na lua e também nos desertos.

    A figura abaixo nos ajudam a compreender o funcionamento do esfeito estufa.

    Os raios de luz penetram a atmosfera, atingem a superfície da terra (figura 1) e voltam ao espaço (figura 2).

    Ao atingir a superfície do planeta, esses raios mudam de características físicas e transformam-se em calor. Uma parte deste calor emitida, agora, pela terra  e que está prestes a retornar para o espaço é aprisionada na atmosfera (figura 2 e 3) justamente devido à presença dos gases de efeito estufa.

    O efeito estufa pode ser definitivo de várias formas. A grosso modo, consiste no aprisionamento na atmosfera de parte do calor gerado pela interação da luz solar com atmosfera com a superfície da Terra e refletido de volta ao espaço.

    Podemos visualizar e entender o efeito estufa, quando entramos em um carro estacionado por algumas horas sob o sol. Ao abrirmos a porta, sentimos imediatamente a temperatura muito quente do ar, contrastando com a temperatura fora do carro.

     Isso acontece, devido ao aprisionamento do calor no interior do carro. Os vidros do carro agem de forma parecida atmosfera terrestre, isto é, permitem que a luz do sol ingresse, mas impedem que o calor saia. Este é também o princípio exato de uma estufa.

    Veja quais são os gases que provocam o efeito estufa:

-    Vapor d'água (H₂0)

-    Ozônio (O₃)

-    Dióxido de carbono(CO₂)

-    Metano (CH₄)

-    Óxido Nitroso(N₂0)

-    Clorofluorcarbonos(CFCs)

-    Hidrofluorcarbonos(HFCs)

-    Perfluorcarbonos (PFCs)