Qual transformação gasosa apresenta volume constante * isotérmica isobárica Isovolumétrica?

O estudo dos gases compreende a análise da matéria quando se apresenta no estado gasoso, sendo este o seu estado termodinâmico mais simples.

Um gás é composto por átomos e moléculas e nesse estado físico, um sistema apresenta pouca interação entre suas partículas.

Devemos notar que um gás é diferente do vapor. Normalmente consideramos um gás quando a substância encontra-se no estado gasoso em temperatura e pressão ambiente.

Já as substâncias que se apresentam no estado sólido ou líquido em condições ambientes, quando estão no estado gasoso são chamadas de vapor.

1. Variáveis de estado dos gases

As equações que iremos apresentar a seguir relacionam as três transformações gasosas de uma massa fixa de gás.

P, V e T são as chamadas “Variáveis de estado dos gases”.

Onde PV = K se refere à transformação Isotérmica, neste caso a constante é a temperatura.

V = K
T         é a equação para transformações Isobáricas, onde a pressão é constante.

A transformação Isovolumétrica é representada pela equação P = K 
                                                                                                   T

As transformações gasosas podem ser representadas por uma única equação. A chamada Equação geral dos gases:

a) Gás Ideal

Sob determinadas condições, a equação de estado de um gás pode ser bastante simples. Um gás que apresenta essas condições é chamado de gás ideal ou gás perfeito.

As condições necessárias para que um gás seja considerado perfeito são:

• Ser constituído por um número muito grande de partículas em movimento desordenado;
• O volume de cada molécula ser desprezível em relação ao volume do recipiente;
• As colisões são elásticas de curtíssima duração;
• As forças entre as moléculas são desprezíveis, exceto durante as colisões.

Na verdade, o gás perfeito é uma idealização do gás real, entretanto, na prática podemos muitas vezes utilizar essa aproximação.

Quanto mais a temperatura de um gás se distanciar do seu ponto de liquefação e a sua pressão for reduzida, mais próximo estará de um gás ideal.

2. Transformações Gasosas
As transformações gasosas foram estudadas pelos cientistas de forma a sempre manter uma das variáveis de estado constante para observar a variação das outras duas variáveis.    

As transformações gasosas são aquelas em que se considera uma determinada massa fixa de um gás ideal em um sistema fechado para observar como as variáveis de estado dos gases (pressão, volume e temperatura) inter-relacionam-se. Esse processo é feito por manter constante uma dessas variáveis, enquanto se observa como ocorre a variação das outras duas.

Existem três tipos de transformações gasosas, que ocorrem quando (1) a temperatura permanece constante, (2) quando a pressão permanece constante e (3) quando o volume permanece constante. Vejamos o nome dado para cada uma dessas transformações e quais são as leis que as relacionam:

(1) Transformação isotérmica: Essa palavra vem do grego iso, que significa “igual”, e thermo, que significa “calor”, ou seja, essa é uma transformação gasosa que ocorre com a temperatura constante, enquanto as outras variáveis (pressão e volume) variam.

Os cientistas que estudaram a transformação isotérmica foram Robert Boyle e Edme Mariotte, por isso as observações desses estudiosos foram enunciadas em uma lei chamada de lei de Boyle-Mariotte, que diz o seguinte:

“Com a temperatura sendo mantida constante, a massa de determinado gás ocupa um volume inversamente proporcional à sua pressão.”

Isso quer dizer que, se aumentarmos a pressão sobre o gás, o seu volume diminuirá e vice-versa, como a figura a seguir mostra:

Duas grandezas são inversamente proporcionais quando o produto entre elas sempre origina uma constante. Assim, temos:

P . V = k

ou

P1 . V1 = P2 . V2

Veja um exemplo a seguir de transformação isotérmica. Observe que o produto entre a pressão e o volume em todos os casos sempre origina o mesmo resultado:

Passando os dados das transformações isotérmicas para um gráfico que relaciona a pressão e o volume, obtemos uma hipérbole equilátera, que é chamada de isoterma:

(2) Transformação isobárica: Essa palavra vem do grego iso, que significa “igual”, e baros, que é “pressão”, ou seja, essa é uma transformação gasosa que ocorre com a pressão constante, enquanto as outras variáveis (temperatura e volume) variam.

Os cientistas que estudaram a transformação isobárica foram Joseph Louis Gay-Lussac e Jacques Alexandre César Charles. Por isso, as observações deles foram enunciadas em uma lei chamada de primeira lei de Charles e Gay-Lussac, que diz o seguinte:

“Com a pressão sendo mantida constante, a massa de determinado gás ocupa um volume diretamente proporcional à sua temperatura termodinâmica.”

Isso quer dizer que, se aumentarmos a temperatura do sistema, o volume ocupado pelo gás também aumentará, ou seja, ele expandir-se-á. Por outro lado, com a diminuição da temperatura, o gás contrair-se-á. Veja isso na ilustração a seguir:

É importante salientar que as relações expressas em todas as transformações gasosas mencionadas aqui são verdadeiras somente quando se considera a temperatura termodinâmica, ou seja, a temperatura na escala kelvin.

Matematicamente, temos:

V = k
T      

ou

V1= V2
T1    T2

Veja um exemplo a seguir de transformação isobárica. Por exemplo, se temos uma massa fixa de um gás em um sistema fechado, sob temperatura de 100 K e seu volume é “V”, se aumentarmos essa temperatura para 200 K, ou seja, se dobrarmos a temperatura, o volume também dobrará, passando para “2V” e assim sucessivamente.

Passando os dados das transformações isobáricas para um gráfico que relaciona a pressão e o volume, obtemos uma reta, conforme o gráfico a seguir mostra:

(2) Transformação isocórica ou isovolumétrica: Conforme já dito, iso significa “igual”, e coros é “volume”, ou seja, a palavra “isocórica” refere-se a uma transformação gasosa que ocorre com o volume constante, enquanto as outras variáveis (temperatura e pressão) variam.

A segunda lei de Charles e Gay-Lussac diz o seguinte:

“Com o volume sendo mantido constante, a pressão exercida pela massa de determinado gás é diretamente proporcional à sua temperatura termodinâmica.”

Isso quer dizer que, se aumentarmos a temperatura do sistema, a pressão exercida pelo gás também aumentará e vice-versa. Observe:

Matematicamente, temos:

P = k
T      

ou

P1= P2
T1    T2

Portanto, assim como ocorre no caso das transformações isobáricas, nos gráficos das transformações isocóricas, a relação entre a pressão e a temperatura sempre dará uma reta:

Observe que em todos os casos, quando dividimos a pressão pela temperatura termodinâmica respectiva, encontramos o mesmo valor (uma constante):

3/100 = 0,03

6/200 = 0,03

9/300 = 0,03

12/400 = 0,03

3. Equação geral dos gases ideais

A lei dos gases ideais ou equação de Clapeyron descreve o comportamento de um gás perfeito em termos de parâmetros físicos e nos permite avaliar o estado macroscópio do gás. Ela é expressa como:

P.V = n.R.T

Sendo,

P: pressão do gás (N/m2)
V: volume (m3)
n: número de moles (mol)
R: constante universal dos gases (J/K.mol)
T: temperatura (K)

a) Constante universal dos gases

Se considerarmos 1 mol de um determinado gás, a constante R pode ser encontrada pelo produto da pressão com o volume dividido pela temperatura absoluta.

De acordo com a Lei de Avogadro, em condições normais de temperatura e pressão (temperatura é igual a 273,15 K e pressão de 1 atm) 1 mol de um gás ocupa um volume igual a 22,415 litros. Assim, temos:

Fazendo as devidas transformações, podemos ainda expressar a constante dos gases como sendo igual a:

R = 8,314 J/K.mol ou 1,986 cal/k.mol

4. Volume molar dos gases

O volume molar corresponde ao volume ocupado por qualquer gás nas CNTP, que é igual a 22,4 L.

No ano de 1811, o químico italiano Amedeo Avogadro (1776-1856) propôs uma explicação para a relação que havia entre o número de moléculas dos gases e o volume por eles ocupado. Segundo a Hipótese de Avogadro ou Princípio de Avogadro, volumes iguais de quaisquer gases que estão nas mesmas condições de temperatura e pressão apresentam o mesmo número de moléculas.

Isso significa que independente da natureza do gás e do tamanho das suas moléculas, o volume que ele ocupará será proporcional ao número de moléculas que há no frasco. Por exemplo, se temos dois frascos, um contendo gás hidrogênio (H2) e o outro contendo dióxido de carbono (CO2), sendo o volume dos dois igual, isso quer dizer que existe a mesma quantidade de moléculas nos dois frascos.

Esse fato acontece porque o tamanho das moléculas gasosas é considerado desprezível em comparação com a distância entre elas.

Assim, quando consideramos as Condições Normais de Temperatura e Pressão (CNTP), em que a pressão é igual a 1 atm e a temperatura é de 273 K (0ºC), temos que o volume ocupado por 1 mol de qualquer gás sempre será de 22,4 L. Esse valor corresponde ao volume molar dos gases.

Se considerarmos as Condições Ambientais de Temperatura e Pressão (CATP), em que a pressão também é de aproximadamente 1 atm, mas a temperatura é de 298 K (25 ºC), o volume molar passa a ser 25 L.

Já em Standard Temperature and Pressure (STP), também chamado de Condições Padrões de Temperatura e Pressão (CPTP), há 273,15 K (0º C) e 100 000 Pa (0,987 atm), portanto o volume molar passa a ser 22,71 L.

Portanto, se temos 1 mol de gás hidrogênio e 1 mol de gás carbônico em dois recipientes separados, podemos concluir que ambos estão ocupando o volume de 22,4 L nas CNTP. O número de moléculas deles também é o mesmo, tendo em vista que 1 mol de qualquer gás é sempre 6,0 . 1023 (número de Avogadro).

A diferença estará somente na massa, pois a quantidade e o tipo de átomo em cada molécula são diferentes. No caso de 1 mol de H2, temos a massa total de 2g, enquanto  em 1 mol de CO2, temos a massa de 44 g.

Fontes:

Mundo Educação -  Disponível em <https://mundoeducacao.bol.uol.com.br/quimica/variaveis-estado-dos-gases.htm> Acesso em 11 abr. 2022.

Mundo Educação - Disponível em <https://mundoeducacao.bol.uol.com.br/quimica/transformacoes-gasosas.htm> Acesso em 11 abr. 2022.

Toda Matéria- Disponível em <https://www.todamateria.com.br/estudo-dos-gases/> Acesso em 11 abr. 2022.

Mundo Educação - Disponível em <https://mundoeducacao.uol.com.br/quimica/volume-molar-dos-gases.htm#:~:text=Assim%2C%20quando%20consideramos%20as%20Condições,ao%20volume%20molar%20dos%20gases.> Acesso em 11 abr. 2022.

Qual das transformações gasosas tem o volume constante?

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