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Lei dos Gases
A Lei dos Gases foi criada por físico-químicos entre os séculos XVII e XIX. As três leis dos gases são denominadas: Lei de Boyle (transformação isotérmica), Lei de Gay-Lussac (transformação isobárica) e a Lei de Charles (transformação isométrica). Cada uma delas contribuiu para os estudos sobre os gases e suas propriedades, a saber: volume, pressão e temperatura.
Gases
Os gases são fluidos que não possuem forma, nem volume próprio, ou seja, a forma e o volume dos gases dependem diretamente do recipiente no qual estão inseridos. Isso ocorre porque as moléculas dos gases, diferente dos sólidos, estão separadas umas das outras.
Gases Ideais
Note que os chamados “Gases Ideais” ou “Gases Perfeitos”, são modelos idealizados, utilizados para facilitar o estudo sobre os gases, uma vez que a maioria deles se comporta como um "gás ideal".
Importante ressaltar que as três leis dos gases expõem o comportamento dos gases perfeitos, na medida em que uma das grandezas, seja pressão, temperatura ou volume, é constante, enquanto outras duas são variáveis.
Algumas características que definem os gases ideais são:
· Movimento desordenado e não interativo entre as moléculas
· Colisões das moléculas dos gases são elásticas (Não a perda de energia)
· Ausência de forças de atração ou repulsão
· Possuem massa, baixa densidade e volume desprezível.
Lei de Boyle
A Lei de Boyle-Mariotte, proposta pelo químico e físico irlandês Robert Boyle (1627-1691), apresenta a transformação isotérmica dos gases ideais, de modo que a temperatura permanece constante, enquanto a pressão e o volume do gás são inversamente proporcionais. Assim, a equação que expressa a lei de Boyle:
Donde,
p: pressão da amostra
V: volume
K: constante de temperatura (depende da natureza do gás, da temperatura e da massa).
Transformação Isotérmica ( iso= igual ou constante)
A palavra isotérmica se refere à mesma temperatura, logo uma transformação isotérmica de um gás, ocorre quando a temperatura inicial é conservada.
A lei física que expressa essa relação é conhecida com Lei de Boyle e é matematicamente expressa por:
Onde:
p=pressão
V=volume
=constante que depende da massa, temperatura e natureza do gás.
Como esta constante é a mesma para um mesmo gás, ao ser transformado, é válida a relação:
 
( temperatura em kelven K)
 Hipérbole equilátera, característica de uma transformação isotérmica. São inversamente proporcionais pressão e volume. Ou seja, são constantes, se eu aumentar pressão está diminuindo o volume, se aumentar volume está diminuindo pressão. 
Exemplo:
Ex1: 15 litros de uma determinada massa gasosa encontram- se em uma pressão de 8,0 atm e à temperatura de 30°C. Ao sofrer uma expansão isotérmica, seu volume passa a 20 litros. Qual será a nova pressão do gás?
V1= 15 L P1* V1 = P2* V2
P1= 20 L 8* 15= X * 20
 V2=20 L X= 120/ 20
P2= ? X= 6 atm
 Ex2:Certo gás contido em um recipiente de 1m³ com êmbolo exerce uma pressão de 250Pa. Ao ser comprimido isotermicamente a um volume de 0,6m³ qual será a pressão exercida pelo gás?
Lei de Gay-Lussac
A Lei de Gay-Lussac, proposta pelo físico e químico francês, Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850), apresenta a transformação isobárica dos gases, ou seja, quando a pressão do gás é constante, a temperatura e o volume são diretamente proporcionais, expressa pela fórmula:
Donde,
V: volume do gás
T: temperatura
k: constante da pressão (isobárica)
Transformação Isobárica
Analogamente à transformação isotérmica, quando há uma transformação isobárica, a pressão é conservada.
Regida pela Lei de Charles e Gay-Lussac, esta transformação pode ser expressa por:
Onde:
V=volume;
T=temperatura absoluta;
=constante que depende da pressão, massa e natureza do gás.
 
Assim, quando um mesmo gás muda de temperatura ou volume, é válida a relação:
 
Exemplo:
Um gás de volume 0,5m³ à temperatura de 20ºC é aquecido até a temperatura de 70ºC. Qual será o volume ocupado por ele, se esta transformação acontecer sob pressão constante?
É importante lembrarmos que a temperatura considerada deve ser a temperatura absoluta do gás (escala Kelvin) assim, o primeiro passo para a resolução do exercício é a conversão de escalas termométricas:
Lembrando que:
Então:
Lei de Charles
A Lei de Charles, proposta pelo físico e químico francês Jacques Alexandre Cesar Charles (1746-1823), apresenta a transformação isométrica ou isocórica dos gases perfeitos, ou seja, o volume do gás é constante, enquanto a pressão e a temperatura são grandezas diretamente proporcionais. A partir disso, a fórmula que expressa a lei de Charles:
Donde,
P: pressão
T: temperatura
K: constante de volume (depende da natureza, do volume e da massa do gás).
Transformação Isométrica
A transformação isométrica também pode ser chamada isocórica e assim como nas outras transformações vistas, a isométrica se baseia em uma relação em que, para este caso, o volume se mantém.
Regida pela Lei de Charles, a transformação isométrica é matematicamente expressa por:
Onde:
p=pressão;
T=temperatura absoluta do gás;
=constante que depende do volume, massa e da natureza do gás.;
 
Como para um mesmo gás, a constante  é sempre a mesma, garantindo a validade da relação:
 
Exemplo:
Um gás que se encontra à temperatura de 200K é aquecido até 300K, sem mudar de volume. Se a pressão exercida no final do processo de aquecimento é 1000Pa, qual era a pressão inicial?
Equação Geral dos Gases Perfeitos
A Equação Geral dos Gases Perfeitos é utilizada para os gases que possuem massa constante (número de mols) e variação de alguma das grandezas: pressão, o volume e a temperatura, estabelecida pela seguinte expressão:
Donde,
P: pressão
V: volume
T: temperatura
K: constante molar
P1: pressão inicial
V1: volume inicial
T1: temperatura inicial
P2: pressão final
V2: volume final
T2: temperatura final
Equação de Clapeyron
A Equação de Clapeyron foi formulada pelo físico-químico francês Benoit Paul Émile Clapeyron (1799-1864). Essa equação consiste na união das três leis dos gases, na qual relaciona as propriedades dos gases dentre: volume, pressão e temperatura absoluta.
Donde,
P: pressão
V: volume
n: número de mols
R: constante universal dos gases perfeitos: 8,31 J/mol.K
T: Temperatura
Exemplo:
(1) Qual é o volume ocupado por um mol de gás perfeito submetido à pressão de 5000N/m², a uma temperatura igual a 50°C?
Dado: 1atm=10000N/m² e 
 
Substituindo os valores na equação de Clapeyron:
Trabalho de um gás
 
Considere um gás de massa m contido em um cilindro com área de base A, provido de um êmbolo. Ao ser fornecida uma quantidade de calor Q ao sistema, este sofrerá uma expansão, sob pressão constante, como é garantido pela Lei de Gay-Lussac, e o êmbolo será deslocado.
Assim como para os sistemas mecânicos, o trabalho do sistema será dado pelo produto da força aplicada no êmbolo com o deslocamento do êmbolo no cilindro:
Assim, o trabalho realizado por um sistema, em uma tranformação com pressão constante, é dado pelo produto entre a pressão e a variação do volume do gás.
Quando:
· o volume aumenta no sistema, o trabalho é positivo, ou seja, é realizado sobre o meio em que se encontra (como por exemplo empurrando o êmbolo contra seu próprio peso);
· o volume diminui no sistema, o trabalho é negativo, ou seja, é necessário que o sistema receba um trabalho do meio externo;
· o volume não é alterado, não há realização de trabalho pelo sistema.
 
Exemplo:
(1) Um gás ideal de volume 12m³ sofre uma transformação, permenescendo sob pressão constante igual a 250Pa. Qual é o volume do gás quando o trabalho realizado por ele for 2kJ?
Termodinâmica
A termodinâmica é uma área da Física que estuda as transferências de energia. Busca compreender as relações entre calor, energia e trabalho, analisando quantidades de calor trocadas e os trabalhos realizados em um processo físico.
A ciência termodinâmica foi inicialmente desenvolvida por pesquisadores que buscavam uma forma de aprimorar as máquinas, no períododa Revolução Industrial, melhorando sua eficiência.
Esses conhecimentos se aplicam atualmente em várias situações do nosso cotidiano. Por exemplo: máquinas térmicas e refrigeradores, motores de carros e processos de transformação de minérios e derivados do petróleo.
As leis fundamentais da termodinâmica regem o modo como o calor se transforma em trabalho e vice-versa.
Primeira Lei da Termodinâmica
A Primeira Lei da Termodinâmica se relaciona com o princípio da conservação da energia. Isso quer dizer que a energia em um sistema não pode ser destruída nem criada, somente transformada.
Quando uma pessoa usa uma bomba para encher um objeto inflável, ela está usando força para colocar ar dentro do objeto. Isso significa que a energia cinética faz o pistão abaixar. No entanto, parte dessa energia se transforma em calor, que é perdida para o meio.
A fórmula que representa a primeira lei da termodinâmica é a seguinte:
A Lei de Hess é um caso particular do princípio da conservação de energia. Saiba mais!
Segunda Lei da Termodinâmica
Exemplo da Segunda Lei da Termodinâmica
As transferências de calor ocorrem sempre do corpo mais quente para o corpo mais frio, isso acontece de forma espontânea, mas o contrário não. O que significa dizer que os processos de transferência de energia térmica são irreversíveis.
Desse modo, pela Segunda Lei da Termodinâmica, não é possível que o calor se converta integralmente em outra forma de energia. Por esse motivo, o calor é considerado uma forma degradada de energia.
Leia também:
· Entropia
· Ciclo de Carnot
Lei Zero da Termodinâmica
A Lei Zero da Termodinâmica trata das condições para a obtenção do equilíbrio térmico. Dentre essas condições podemos citar a influência dos materiais que tornam a condutividade térmica maior ou menor.
Segundo essa lei,
1. se um corpo A está em equilíbrio térmico em contato com um corpo B e
2. se esse corpo A está em equilíbrio térmico em contato com um corpo C, logo
3. B está em equilíbrio térmico em contato com C.
Quando dois corpos com temperaturas diferentes são colocados em contato, aquele que estiver mais quente irá transferir calor para aquele que estiver mais frio. Isso faz com que as temperaturas se igualem chegando ao equilíbrio térmico.
É chamada de lei zero porque o seu entendimento mostrou-se necessário para as primeiras duas leis que já existiam, a primeira e a segunda leis da termodinâmica.
Terceira Lei da Termodinâmica
A Terceira Lei da Termodinâmica surge como uma tentativa de estabelecer um ponto de referência absoluto que determine a entropia. A entropia é, na verdade, a base da Segunda Lei da Termodinâmica.
Nernst, o físico que a propôs, concluiu que não era possível que uma substância pura com temperatura zero apresentasse a entropia num valor aproximado a zero.
Por esse motivo, trata-se de uma lei polêmica, considerada por muitos físicos como uma regra e não uma lei.
Sistemas termodinâmicos
Em um sistema termodinâmico pode haver um ou vários corpos que se relacionam. O meio que o envolve e o Universo representam o meio externo ao sistema. O sistema pode ser definido como: aberto, fechado ou isolado.
Sistemas termodinâmicos
Quando o sistema é aberto, há transferência de massa e energia entre o sistema e o meio externo. No sistema fechado há apenas transferência de energia (calor), e quando é isolado não há trocas.
Comportamento dos gases
O comportamento microscópico dos gases é descrito e interpretado de forma mais fácil do que nos outros estados físicos (líquido e sólido). É por isso que os gases são mais usados nesses estudos.
Nos estudos termodinâmicos são usados gases ideais ou perfeitos. É um modelo no qual as partículas se movem de forma caótica e interagem apenas nas colisões. Além disso, se considera que essas colisões entre as partículas, e delas com as paredes do recipientes, são elásticas e duram por pouquíssimo tempo.
Em um sistema fechado, o gás ideal pressupõe um comportamento que envolve as seguintes grandezas físicas: pressão, volume e temperatura. Essas variáveis definem o estado termodinâmico de um gás.
Comportamento dos gases segundo as leis dos gases
A pressão (p) é produzida pelo movimento das partículas do gás dentro do recipiente. O espaço ocupado pelo gás no interior do recipiente é o volume (v). E a temperatura (t) está relacionada com a energia cinética média das partículas do gás em movimento.
Leia também Lei dos Gases e Lei de Avogadro.
Energia interna
A energia interna de um sistema é uma grandeza física que ajuda a medir como ocorrem as transformações pelas quais um gás passa. Essa grandeza está relacionada com a variação da temperatura e da energia cinética das partículas.
Um gás ideal, formado por apenas um tipo de átomo, possui energia interna diretamente proporcional à temperatura do gás. Isso é representado pela fórmula a seguir:
Exercícios resolvidos
1 - Um cilindro com êmbolo móvel contém um gás à pressão de 4,0.104N/m2. Quando é fornecido 6 kJ de calor ao sistema, à pressão constante, o volume do gás sofre expansão de 1,0.10-1m3. Determine o trabalho realizado e a variação da energia interna nessa situação.
Dados: P = 4,0.104 N/m2Q = 6KJ ou 6000 J ΔV = 1,0.10-1 m3 T = ? ΔU = ?
1ª Etapa: Calcular o trabalho com os dados do problema.
T = P. ΔV T = 4,0.104. 1,0.10-1 T = 4000 J
2ª Etapa: Calcular a variação da energia interna com o novo dado.
Q = T + ΔU ΔU = Q - T ΔU = 6000 - 4000 ΔU = 2000 J
Portanto, o trabalho realizado é de 4000 J e a variação da energia interna é de 2000 J.
2 - (Adaptado do ENEM 2011) Um motor só poderá realizar trabalho se receber uma quantidade de energia de outro sistema. No caso, a energia armazenada no combustível é, em parte, liberada durante a combustão para que o aparelho possa funcionar. Quando o motor funciona, parte da energia convertida ou transformada na combustão não pode ser utilizada para a realização de trabalho. Isso quer dizer que há vazamento da energia em outra forma.
De acordo com o texto, as transformações de energia que ocorrem durante o funcionamento do motor são decorrentes da:
a) liberação de calor dentro do motor ser impossível.
b) realização de trabalho pelo motor ser incontrolável.
c) conversão integral de calor em trabalho ser impossível.
d) transformação de energia térmica em cinética ser impossível.
e) utilização de energia potencial do combustível ser incontrolável.
Alternativa c: conversão integral de calor em trabalho ser impossível. Como visto anteriormente, o calor não pode ser totalmente convertido em trabalho. Durante o funcionamento do motor parte da energia térmica se perde, sendo transferida para o meio externo.