RELATÓRIO Lei de Charles

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INSTITUTO FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO
CAMPUS VILA VELHA
FÍSICO-QUÍMICA EXPERIMENTAL
Turma: Licenciatura em Química
Alunas: Deborah Pimentel, Diego Suhet e Quézia Costa
Título: Lei de Charles Data: 12/04/2022
1. INTRODUÇÃO
O estado mais simples da matéria é um gás, uma forma da matéria que ocupa
qualquer recipiente que a contenha. Um gás difere de um líquido pelo fato de ter
suas moléculas muito separadas umas das outras, exceto durante as colisões, e que
se movem em trajetórias que são muito pouco perturbadas pelas forças
intermoleculares. O estado físico de uma substância é definido por suas
propriedades físicas. O estado de um gás puro, por exemplo, fica definido pelos
valores do volume que ele ocupa, V, da quantidade de substância, n, da pressão, p,
e da temperatura T (ATKINS, 2008).
Em 1662, Robert Boyle realizou as primeiras medidas quantitativas do
comportamento pressão-volume dos gases. Seus resultados indicavam que o
volume é inversamente proporcional à pressão: , onde p é a pressão, V é o𝑉 = 𝐶/𝑝
volume e C é uma constante. Portanto, ao colocar V em função de p, a equação,
também conhecida como Lei de Boyle, pode ser escrita na forma 𝑝𝑉 = 𝐶.
Posteriormente, em 1787, Jacques Charles demonstrou que a constante C é uma
função da temperatura, enunciando assim a Lei de Charles. Segundo as
experiências de Charles, para uma massa fixa de gás sob pressão constante, o
aumento relativo do volume por grau de aumento de temperatura era o mesmo para
todos os gases nos quais ele fez essa medida (CASTELLAN, 1986).
A tradução em linguagem matemática da lei de Charles resulta em 𝑉/𝑇 = 𝑘 → 𝑉 ∝ 𝑇
, a pressão constante (k é uma constante; no caso de se tratar de um gás ideal,
). Assim, pode-se estabelecer uma relação entre os valores iniciais de 𝑘 = 𝑛𝑅/𝑝
volume (Vi) e temperatura (Ti) de uma massa fixa de gás, a uma dada pressão, com
os valores finais (Vf e Tf, respectivamente) após expansão ou contracção isobárica
(pressão constante). Atendendo a que , então:𝑉𝑖 /𝑇𝑖 = 𝑘 = 𝑉𝑓/𝑇𝑓
𝑉
𝑖
𝑇
𝑖
= 
𝑉
𝑓
𝑇
𝑓
⇔
𝑉
𝑖
𝑉
𝑓
=
𝑇
𝑖
𝑇
𝑓
⇔ 𝑉
𝑖
𝑇
𝑓
= 𝑉
𝑓
𝑇
𝑖
A experiência de Charles consistiu no enchimento de 5 balões com igual volume de
diferentes gases. Posteriormente, aumentou a temperatura de cada balão até 353 K
(80 ºC) e constatou que todos eles tinham aumentado o seu volume em igual
quantidade, o que induzia uma relação de proporcionalidade entre o volume e a
temperatura dos gases estudados. No entanto, foi Joseph Louis Gay-Lussac quem,
em 1802 , publicou, pela primeira vez, a ocorrência deste fenômeno. Baseou-se no
trabalho de Charles, a quem faz referência e atribui a autoria da descoberta, tendo
descrito a relação matemática precisa entre as referidas variáveis e demonstrado
que o conceito é aplicável a todos os gases. Por isso, esta relação tem vários
nomes, nomeadamente Lei de Charles, Lei de Charles e Gay-Lussac e, mais
raramente, Lei de Gay-Lussac, embora a designação mais comum aceite hoje pela
comunidade científica seja Lei de Charles. A designação “Lei de Gay-Lussac” é,
normalmente, utilizada para a relação entre outras propriedades dos gases
(temperatura e pressão). (LIMA, 2014).
Para ambas as leis, Charles-Gay-Lussac, os valores das variáveis V e p, não podem
ser negativas. Quando Charles e Gay-Lussac realizaram seus experimentos, a
escala de temperatura absoluta não existia, todas as medidas foram feitas na escala
Celsius. A escala absoluta foi introduzida por William Thomson, (também conhecido
como, 1º barão Kelvin) estabelecer um valor mínimo absoluto de temperatura (0 K
ou -273,15 ºC), o que deu origem a uma nova escala de temperatura: a escala de
temperatura absoluta ou escala Kelvin.
2. OBJETIVOS
Estudar o efeito da variação da temperatura no volume de um gás e verificar a lei de
Charles.
3. MATERIAIS
● Água gelada/congelada
● Béquer 2L
● Bico de bunsen
● Conectores de dutos
● Erlenmeyer 150 mL/250 mL
● Garra de madeira
● Garra metálica
● Manta de aquecimento
● Mangueiras
● Rolhas
● Suporte universal
● Termômetro digital
4. PROCEDIMENTO
Inicialmente, montou-se os sistemas e as etapas do procedimento, onde
preencheu-se um béquer com capacidade para 2 litros até a marca de 1 litro com
água e gelo, em seguida reservou-se no freezer para que continuasse resfriado.
Após isso, encheu-se outro béquer com água até um ponto onde fosse possível
submergir um erlenmeyer cheio de ar (frasco 1) até a marca da rolha com um ducto
que estaria junto a ela, e ao mesmo tempo, de forma que ele ficasse preso a garra
acoplada ao suporte universal. Antes de submergir na água, é importante que faça
uma marca de caneta no vidro na altura da rolha. Montou-se o sistema de
aquecimento com o bico de bunsen e a chapa de aquecimento para que a água do
béquer fosse aquecida.
Em outro erlenmeyer com água (frasco 2), acoplou-se a outra extremidade do ducto
como podemos observar na figura 1.
Figura 1: Esquema experimental para verificação da Lei de Charles
Fonte: Apostila de físico-química experimental.
Com o sistema da experimentação montado, observou-se até que a água do béquer
entrasse em ebulição e registrou-se a temperatura após isso durante cinco minutos,
até que as bolhas parassem de emergir no béquer com água.
Partindo agora para a parte fria, com cuidado, desacoplou-se o erlenmeyer com ar
que estava dentro da água e rapidamente transferiu-o para o banho de gelo
preparado no início do experimento, assim observamos a água ser sugada pelo
frasco 1 e determinamos o volume com uma proveta. Depois, o mesmo frasco (1) foi
preenchido com água até uma marca que foi feita inicialmente na altura da rolha
para determinar o volume.
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Após a montagem do sistema de aquecimento, fora observado o instante em que a
primeira bolha de ar sairia pela mangueira do duto, bem como o momento em que
não saísse mais bolhas. Quando o sistema foi colocado no béquer com gelo, o
instante inicial e final em que a sucção da água aconteceu também foi anotado e
esses dados foram colocados na tabela 1, como pode ser visto abaixo.
Tabela 1 - Temperaturas em que ocorreram mudanças
Temperatura de
ebulição (°C)
Temperatura de
sucção da água
(°C)
99,9 6,2
100,1 3,1
100,0 2,1
99,6 1,8
99,7 1,2
Fonte: autores, 2022
Com os dados obtidos, a lei de Charles foi verificada por meio da equação:
=
𝑉1𝑇2
𝑉2𝑇1
𝑃2
𝑃1
Onde é uma constante, pois conforme os estudos de Jacques Alexandre
𝑃2
𝑃1
Charles e Joseph Louis Gay-Lussac, a uma pressão constante, o volume de uma
amostra de gás expande quando aquecida e contrai quando esfriada
(CHANG,2009). Admitindo que sejam constantes igual a 1, quanto mais próximo
𝑃2
𝑃1
deste valor for obtido antes da igualdade, mostra o quão certo foi o resultado do
procedimento experimental. Quanto aos volumes expressos na fórmula, V1
representa o volume marcado com caneta, do lado de fora do erlenmeyer na direção
da rolha; e V2 representa o volume de água que foi sugado pelo duto para dentro do
erlenmeyer. A tabela 2 mostra os volumes de expansão e contração do gás obtidos
durante o experimento.
Tabela 2 - Volumes de expansão e contração
Volume de expansão
(mL)
Volume de contração
(mL)
151 34
Fonte: Autores, 2022
Foi feita uma média das temperaturas de ebulição e sucção dispostas na tabela 1 e
ambas foram transformadas para kelvin, como pode ser visto abaixo.
Tebu = 99,86 + 273,15 = 373,01𝑥
Tsuc = 2,88 + 273,15 = 276,03𝑥
Desta feita, com os dados obtidos e ao substituí-los na fórmula, tem-se que:
= 1
𝑉1𝑇2
𝑉2𝑇1
= 1
151 𝑥 276,03
34 𝑥 373,01 
3,28 = 1
Como esta igualdade não é verdadeira e está longe do valor correspondente à lei,
pode-se tomá-lo como um resultado inválido para a verificação da lei de Charles.
Abaixo segue o cálculo da porcentagem de erro do experimento e da verificação
sendo que, até 20% de erro é aceitável para a situação dada.
% erro = 1−𝑥1 𝑥100
% erro = 1−3,281 𝑥100
% erro = 228%
Os valores de verificaçãoe erro obtidos estão muito fora do esperado. Erros durante
o procedimento podem ter influenciado tal resultado, por se tratar de um
experimento com grande margem para erros técnicos. Entretanto, os resultados
obtidos estão de acordo com os dados.
6. CONCLUSÃO
Parte do objetivo traçado foi alcançado, quando foi possível estudar o efeito da
variação de volume de um gás em diferentes temperaturas. Quanto à verificação da
lei de Charles por meio dos cálculos, não foi possível obter resultado
satisfatoriamente dentro do esperado, na margem de erro de 20%, estando fora de
um padrão. Entretanto, o comportamento do gás foi compreendido e visto.
7. REFERÊNCIAS
ATKINS P, DE PAULA J, Físico-Química. Volume 1. Livros Técnicos e Científicos,
8ª Edição, 2008.
CASTELLAN, Gilbert William. Fundamentos de físico-química. Rio de Janeiro:
LTC - Livros Técnicos e Científicos, 1986. 527 p. ISBN 9788521604891.
CHANG, Raymond. Físico-química: para as ciências químicas e biológicas. 3.
ed. São Paulo: McGrawhill, 2009.
LIMA, L.S., (2014) Lei de Charles, Revista Ciência Elementar, V2(2):179