Aula 1 - Gases ideais

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AULA 1: GASES IDEAIS 
Profa. DYENNY LHAMAS
MARABÁ- PA
2015
UNIFESSPA
Universidade Federal do Sul e Sudeste do Pará
Instituto de Geociências e Engenharias
Curso de Engenharia de Minas
UNIFESSPA
 UNIVERSIDADE FEDERAL DO SUL E SUDESTE DO PARÁ
 Instituto de Geociências e Engenharias
 Faculdade de Engenharia de Minas e Meio Ambiente
APRESENTAÇÃO DA DISCIPLINA 
Físico-Química é uma disciplina que vai dar continuidade à disciplina de Química Geral e nela serão estudados os princípios físicos que governam os sistemas químicos. Nessa disciplina serão abordados também os conceitos básicos da termodinâmica e do equilíbrio químico, fundamentais para o entendimento de processos na engenharia. 
1-INTRODUÇÃO
O conhecimento dos gases;
substâncias gasosas;
O estado mais simples da matéria;
O comportamento de um gás.
2-OBJETIVO
 Abordar as propriedades dos gases que serão usadas ao longo do estudo. Principia por uma descrição idealizada de um gás, a do GÁS PERFEITO, e mostrar como é possível montar experimentalmente, a respectiva EQUAÇÃO DE ESTADO.
Ver como as propriedades dos gases reais diferem das do gás perfeito, e construir uma equação de estado que descreva suas propriedades.
Analisar inicialmente os gases puros e a seguir ver que as mesmas idéias e equações se aplicam a misturas de gases.
1-GÁS IDEAL OU PERFEITO
1.1 Os estados dos gases
Pressão
A medida da pressão
Temperatura
1.2 As leis dos gases
As leis empíricas dos gases
A lei dos gases perfeitos
Mistura de gases
Frações molares e pressões parciais
DEFINIÇÃO DE GÁS
Representa a forma mais simples da matéria e ocupa o volume total de qualquer recipiente que o contenha. 
O GÁS PERFEITO
É conveniente imaginar um gás como um conjunto de moléculas (ou átomos) em movimento permanente e aleatório, com velocidades que aumentam quando a temperatura se eleva.
Um gás é diferente de um líquido por ter as moléculas muito separadas umas das outras, exceto durante as colisões, e que se movem em trajetórias que são muito pouco perturbadas por forças intermoleculares.
CARACTERÍSTICAS DOS GASES
Grande expansibilidade;
Os volumes dos gases variam muito com a pressão (grande compressibilidade) e com a temperatura (grande dilatabilidade).
Grande difusibilidade (Os gases sempre formam misturas homogêneas com outros gases).
As forças intermoleculares dos gases são muito pouco intensas.
OS ESTADOS DOS GASES
 
Estado Físico de uma amostra de uma substância se define por suas propriedade físicas.
Duas amostras de uma substâncias que têm as mesmas propriedades físicas estão no MESMO ESTADO.
Como se define o estado de um gás puro?
Pelos valores do volume que ocupa, V,
Quantidade de substância (número de moles), n
Pressão, P
Temperatura, T
OS ESTADOS DOS GASES
 
Cada gás é descrito por uma EQUAÇÃO DE ESTADO que estabelece uma relação bem determinada entre estas 4 variáveis.
Forma geral de uma equação de estado p=f (T,V, n) Exemplo importante de uma equação de estado é a do gás perfeito.
Constantes dos gases ideais, R
VALORES
UNIDADES
8,314
J K-1mol-1
0,082
LatmK-1mol-1
62,364
Torr K-1mol-1
1,987
Cal K-1mol-1
PROPRIEDADE DOS GASES 
Pressão: Os gases por possuírem movimento aleatório exercem forças sobre as paredes do recipiente que os contém. A relação entre essas forças e a área onde elas são aplicadas é denominada pressão. 
Partição móvel
O gás com a pressão mais alta tende a comprimir o gás com a pressão mais baixa.
A pressão do primeiro diminui a medida que ele se expande e a do segundo aumenta a medida que é comprimido.
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UNIDADES DE PRESSÃO
NOME
SÍMBOLO
VALOR
pascal
1Pa
1 Nm-2, 1 kgm-1s-2
bar
1 bar
105Pa
atmosfera
1atm
101325Pa
torr
1 torr
( 101325/760)Pa= 133,32...Pa
Milímetro de mercúrio
1 mmHg
133,322...Pa
Libra por polegada quadrada
1psi
6,894757...kPa
12
 
TEMPERATURA 
T(K)= T (ºC) + 273,15
Comumente medimos a temperatura de um gás usando um termômetro graduado em graus Celsius. Contudo, em qualquer cálculo envolvendo gases, a temperatura deve ser expressa na escala Kelvin.
 
FRONTEIRAS QUE PODEM SEPARAR DOIS CORPOS 
FRONTEIRA DIATÉRMICA: quando se observa uma mudança de estado em dois corpos a diferentes temperaturas postos em contato ( a palavra diatérmica vem do grego, indicando permeável ao calor).
 Ex: vaso de metal.
ADIABÁTICA: quando não há mudança de estado no contato de dois corpos a diferentes temperaturas. 
Ex: isopor.
Fronteira diatérmica
Energia na forma de calor
Temperaturas iguais
Temperatura
 alta
Temperatura
 baixa
Temperatura
 baixa
Temperatura
 alta
 
TEMPERATURA- EQUILÍBRIO TÉRMICO
Lei zero da termodinâmica: se A está em equilíbrio térmico com B e se B está em equilíbrio térmico com C, então C também está em equilíbrio térmico com A.
 
VOLUME (V) 
Um gás expande-se uniformemente de modo a preencher todo o recipiente. Isto significa que o volume de um gás é o volume de seu recipiente. Volumes de gases podem ser expressos em litros, centímetros cúbicos ou metros cúbicos.
1L= 103cm3=10-3m3
QUANTIDADE (n)
Usualmente, a quantidade de matéria em uma amostra gasosa é expressa em termos de número de moles. Em alguns casos, podemos expressar em gramas de gás. Tais variáveis são relacionadas por
 
n= g/MM
onde n é o número de moles, g é o número de gramas e MM representa a massa molar
AS LEIS DOS GASES
A equação de estado de um gás a pressão baixa foi elaborada pela combinação de várias leis empíricas. Essas leis serão examinadas e de que forma se combinam na equação de estado.
Lei de Boyle 
Realizaram experimentos com gases, variando a sua pressão e acompanhando o valor do volume, mantendo a temperatura constante.
MEDIDA
Volume(ml)
Pressão(mmHg)
P x V
1
25,0
700
1,75 x 104
2
21,1
830
1,75 x 104
3
19,7
890
1,75 x 104
4
14,1
1240
1,75 x 104
5
11,6
1510
1,75 x 104
Compressão do gás Hidrogênio à 25ºC.
Observações das medidas de pressão-volume de Boyle
Quando a pressão (P) no hidrogênio aumenta, seu volume (V) diminui;
 O aumento da pressão e a diminuição no volume ocorrem de tal modo que o produto da pressão e volume permanece constante. 
Boyle e Mariotte observaram comportamentos semelhantes com muitos gases.
 
Lei de Boyle:
A pressão e o volume de uma quantidade fixa de gás, a uma temperatura constante estão relacionados por:
				
				
RELAÇÃO PRESSÃO-VOLUME: LEI DE BOYLE
Temperatura cte
 
O conceito de proporcionalidade inversa não é complicado. No caso da lei de Boyle, considere uma quantidade determinada (determinado número de mols) de um gás à temperatura constante:
Se dobrarmos a pressão, o volume será dividido ao meio.
Se triplicarmos a pressão, o volume transformar-se-à num terço de seu valor original.
Se a pressão é aumentada a 7/4 do seu valor original, o volume diminuirá a 4/7 do que era no início.				
				
COMENTÁRIOS ADICIONAIS
LEI DE BOYLE: REPRESENTAÇÃO GRÁFICA
Transformações Isotérmicas
 
Para uma amostra de gás mantido à temperatura constante, o produto P x V é uma constante
Se P1 e V1 representam a pressão e o volume iniciais de um gás
E P2 e V2, a pressão e o volume finais, então:
				
LEI DE CHARLES
Pressão cte
Jacques Charles elucidou outra importante propriedade dos gases ao estudar o efeito da Temperatura sobre o volume de uma amostra mantida a pressão constante.
TEMPERATURA x VOLUME
Transformações isobáricas P=cte
Um gás mantido a pressão constante varia seu volume linearmente com a temperatura.
TEMPERATURA x PRESSÃO
Transformações isocóricas ou isovolumétricas V=cte
Um gás mantido a um volume constante, varia sua pressão linearmente com a temperatura.
Ou seja:
LEI DE GAY-LUSSAC
Volume cte
Para mudança do estado 1 (inicial) para o estado 2 (final)
A equação que relaciona todas as propriedades do gás perfeito (volume, temperatura, pressão e número de mols) é dada por:
Onde R é uma constante chamada
constante dos gases. Nas condições normais de temperatura e pressão ou CNTP (1 atm de pressão e 0°C), seu valor é (lembrando que um mol de qualquer gás nas CNTP ocupa 22,4L):
A LEI DO GÁS IDEAL
AS LEIS DOS GASES
SUPERFÍCIES DOS ESTADOS
PRINCÍPIO DE AVOGADRO
Numa determinada temperatura e pressão, gases com volumes iguais contêm o mesmo número de moléculas.
Exemplo: 1L de oxigênio a 100 kPa e 300K contém o mesmo número de moléculas que 1L de dióxido de carbono na mesma temperatura e pressão.
Volume molar (Vm):
Misturas de gases
A pressão exercida por uma mistura de gases é a soma das pressões parciais dos gases individuais.
Lei de Dalton
xi = fração molar
A pressão parcial de um gás numa mistura é a pressão que o gás exerceria se ocupasse, sozinho, todo o volume da mistura. 
Frações molares e pressões parciais
Fração molar- fração de moles de um gás J, no total de moles, n
onde n= nA + nB + ...
xA + xB + ... = 1
Pressão parcial
pA + pB + ... = (xA + xB +...)p =p
Exercícios