Gases

1 . GASES
O estudo dos gases é de grande importância na compreensão de fatos que ocorrem no nosso cotidiano, tais como: um balão subir, uma bexiga murchar com o tempo, a pressão interna de o pneu aumentar em dias mais quentes, etc.
1.1 TEORIA CINÉTICA
Para explicar o comportamento ideal do estado físico gasoso, bastante energético, devemos observar os preceitos de uma teoria: a “Teoria Cinética dos Gases”.

Essa teoria baseia-se nos seguintes postulados:
1. As moléculas dos gases estão em movimento retilíneo (as forças de atração entre as moléculas dos gases é desprezível) e caótico, chocam-se entre si elasticamente (não perdem energia cinética devido aos choques): a pressão exercida pelo gás é conseqüência das colisões de suas moléculas contra as paredes do recipiente que o contém.
2. As moléculas dos gases estão muito separadas no espaço: o volume real das moléculas é desprezível quando comparado com o espaço vazio entre elas.
3. A temperatura é uma medida da energia cinética média de todas as moléculas do gás: numa dada temperatura as moléculas de todos os gases têm a mesma energia cinética média.
Entretanto, o gás real tem comportamento adverso do gás ideal. As moléculas de um gás real apresentam volume característico e também interações entre uma molécula e outra.
Mas há situações em que o gás real tem comportamento aproximado ao comportamento de um gás ideal: quando a temperatura for alta e a pressão for baixa. Significa que, tanto em altas temperaturas, quanto em baixas pressões teremos as moléculas as mais distantes possíveis umas das outras, com baixíssima interação, caracterizando pobreza nas interações entre uma molécula e outra. É esse gás ideal (ou o gás real em altas temperaturas e baixas pressões) que iremos enfatizar neste estudo.

1.2 VARIÁVEIS DE ESTADO
Quando um sistema possui os valores de todas as suas propriedades definidas, dizemos que este está numa condição ou estado definido.
Entretanto, para alcançar a precisão que desejamos, devemos conhecer apenas quatro propriedades: massa, pressão, volume e temperatura. Como estas propriedades são relacionadas entre si, conhecendo-se três, a quarta pode ser calculada e o estado do sistema é dito definido.

1.3 PRINCÍPIO DE AVOGADRO
“Volumes iguais de diferentes substâncias na fase gasosa, nas mesmas condições de temperatura e pressão, contêm o mesmo número de moléculas.”

1.4 EQUAÇÃO GERAL

Considere um sistema fechado formado por um gás confinado em um cilindro de êmbolo móvel, sobre o qual é aplicada uma pressão externa.

Entretanto, como o sistema é fechado:
n1 = n2, logo:

Obs.2: A equação acima é utilizada quando uma transformação gasosa ocorrer simultaneamente com variação de pressão, volume e temperatura.

1.5 EQUAÇÃO DE ESTADO
Da teoria cinética dos gases, chegaremos a equação de estado de um gás ou equação de Clapeyron. Esta equação depende da massa do gás em questão.Portanto, o físico Clapeyron estabeleceu uma equação que relaciona as 3 variáveis de estado de um gás – pressão, volume e temperatura – para uma quantidade de matéria igual a n, descrevendo totalmente o comportamento de um gás ideal:

                                                                                    (Equação de Clapeyron)
Lembre-se que: sendo n = m / MM, podemos escrever a equação acima da seguinte maneira:

Obs.1: O valor de R utilizado na resolução de problemas dependerá da unidade de pressão e volume utilizada:

1.6 TRANSFORMAÇÕES GASOSAS (tipos)
a) isobárica (pressão constante)
O pesquisador que verificou as transformações isobáricas “instituiu” uma Lei que recebeu seu nome, a LEI DE CHARLES: Sob uma mesma pressão, uma certa massa de gás ocupa um volume diretamente proporcional à sua temperatura termodinâmica (temperatura
kelvin).

Gráfico do volume em função da temperatura:

Obs.3: Esse gráfico só é válido para os gases ideais e não para os reais, pois note que, quando chegamos ao zero absoluto (0 K ou -273ºC), o volume tende a zero e isto não é possível, pois a matéria não desaparece!
b) isovolumétrica, isocórica ou isométrica (volume constante)
Os pesquisadores que verificaram as transformações isocóricas “instituíram” uma Lei que recebeu seus nomes, a LEI DE GAY-LUSSAC: A um volume fixo, a pressão de uma certa massa de gás é diretamente proporcional à temperatura termodinâmica.

Gráfico da Pressão em função da temperatura:

c) isotérmica (temperatura constante)
Os pesquisadores que verificaram as transformações isotérmicas “instituíram” uma Lei que recebeu seus nomes, a LEI DE BOYLE-MARIOTE:
Com temperatura constante, o volume ocupado por uma certa massa de gás é inversamente proporcional à sua pressão.

Gráfico da Pressão em função do volume (isotermas):

1.7 MISTURA GASOSA

Muitos sistemas gasosos são misturas de gases, como, por exemplo, o ar que respiramos. Toda mistura de gases é sempre um sistema homogêneo.
a) Lei de Dalton das Pressões Parciais
“A pressão total exercida por uma mistura gasosa é igual àsoma das pressões parciais dos gases que compõem a mistura”.

Obs.4: A pressão parcial de um gás numa mistura gasosa é a pressão que ele exerceria se ocupasse sozinho todo o
recipiente da mistura, à mesma temperatura da mistura. O mesmo vale para o volume parcial!
b) Lei de Amagat dos Volumes Parciais
“O volume total de uma mistura gasosa é igual à soma dos volumes parciais dos gases que compõem a mistura”.

c) Densidade
A densidade relativa (dA,B) do gás A em relação ao gás B é a relação entre as densidades absolutas desses gases, medidas nas mesmas condições de pressão e temperatura.
Sendo a densidade relativa entre dois gases A e B:

e as densidades absolutas de A e B,

podemos escrever a densidade relativa entre dois gases como:

d) Difusão e Efusão
Difusão: mistura espontânea de gases.
Efusão: escape de um gás através de um pequeno orifício.

Lei de Graham
“As velocidades de difusão e efusão de dois gases que estejam nas mesmas condições de pressão e temperatura são inversamente proporcionais às raízes quadradas de suas densidades absolutas”.
Portanto, considerando dois gases A e B, na mesma temperatura, temos:

Obs.5: Quanto menor for a massa molar do gás, maior será sua velocidade de difusão e efusão.