Fundamentos de físico-química

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Universidade Tuiuti do Paraná
Faculdade de Ciências Biológicas e de Saúde
Curso de Biomedicina
Disciplina de Físico-química e Saúde Ambiental
Fundamentos de físico-química 
Prof. Cleverson A. Martins
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Introdução
Matéria:  ”É tudo que ocupa espaço e possui massa de repouso (ou massa invariante)”
Substância é uma forma pura e bem definida de matéria
A quantificação de substâncias se dá através do número de mols
“1 mol é a quantidade de substância que contém tantas unidades quantos são os átomos em exatos 12g de carbono 12”
Número de Avogadro = 6,02 x 1023 mol-1
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Introdução
As substâncias possuem propriedades extensivas e intensivas :
Extensivas: são aquelas que dependem da quantidade de substância na amostra
Ex: massa e volume
Intensivas: são aquelas que independem da quantidade de substância na amostra
Ex: temperatura, densidade
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Introdução
Dentro do estudo da quantificação de substâncias, é muito importante o conceito de massa molar (massa molecular):
É a massa de um mol de átomos ou moléculas de uma determinada substância
Útil na avaliação da concentração molar de soluções, por exemplo
Habitualmente, são expressas em mols/Litro
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Introdução
Energia: “É a capacidade de efetuar trabalho”
A energia se conserva (não é criada nem destruída)
Ou seja, a energia total se mantém constante, embora seja possível transferi-la de um sítio para outro (aquecimento de água em copo de bécker num fogareiro).
Há duas contribuições à energia de um sistema que provém da matéria que contém:
Energia cinética: energia que um corpo possui em consequência de seu movimento (Ek)
Energia potencial: energia que um corpo possui em virtude de sua posição
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Introdução
Energia:
Um corpo de massa m, deslocando-se à velocidade v, possui energia cinética E=mv2/2
Um corpo pesado com muita velocidade tem grande energia cinética
A energia potencial depende da referência, comumente é considerada “zero” na superfície da Terra
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Introdução
Unidades de energia:
A unidade no sistema internacional (SIU) é o joule (J).
1 J = 1 kg m2s-2
A energia molar é a energia presente em mol de substância (Jmol-1), frequentemente medida em submúltiplos como quilojoules por mol.
Outras unidades de energia:
Elétron-volt (eV), caloria (cal) quilocaloria (kcal)
1 cal é a energia necessária para elevar em 1°C a temperatura de 1 g de água
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Universidade Tuiuti do Paraná
Faculdade de Ciências Biológicas e de Saúde
Curso de Biomedicina
Disciplina de Físico-química e Saúde Ambiental
Propriedades dos gases: o gás perfeito 
e o gás real
Prof. Cleverson A. Martins
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Introdução
O gás é o estado mais simples da matéria
Enche qualquer recipiente que o contenha
Os princípios e equações físico-químicas podem ser aplicadas tanto à gases puros quanto à mistura de gases
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O gás perfeito
É conveniente imaginar um gás como um conjunto de moléculas ou átomos em movimento aleatório e permanente, com velocidades que aumentam quando a temperatura aumenta
Diferentemente dos líquidos, as moléculas estão bastante separadas umas das outras, e exceto em colisões, as trajetórias não são perturbadas por forças intermoleculares.
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O gás perfeito
A equação de estado dos gases:
Onde:
R é uma constante
P é a pressão exercida pelo gás
V é o volume que ele ocupa
n é o número de mols da substância
T é a temperatura
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O gás perfeito
A constante R (constante universal dos gases ideais) pode assumir diferentes valores, dependendo da unidade em que esteja descrita:
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O gás perfeito
A) Pressão
Se define como o quociente de uma força sobre a área a qual se aplica
Quanto maior a força, maior a pressão
A unidade no SIU é o pascal (Pa), definido como 1 Newton por m2
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O gás perfeito
A) Pressão
Diversas outras unidades de pressão são utilizadas:
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O gás perfeito
O equilíbrio mecânico entre gases ocorre quando um gás de maior pressão se expande e um outro de menor pressão se comprime, considerando uma partição móvel que separa gases
A pressão é medida por barômetros
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O gás perfeito
B) Temperatura: nos informa o sentido do fluxo energético
Se energia passa de A para B, então A tem temperatura mais elevada que B
No SIU, a temperatura é dada em Kelvin (fórmula de conversão entre Celsius e Kelvin abaixo)
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O gás perfeito
1) Lei empírica dos gases:
Lei de Boyle: à temperatura constante, a pressão exercida e volume ocupado por um gás são constantes; e portanto a pressão é inversamente proporcional ao volume ocupado
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O gás perfeito – lei de Boyle
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O gás perfeito
1) Lei empírica dos gases:
Lei de Charles: ao aumentar a temperatura, o volume do gás cresce, independente de sua natureza.
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O gás perfeito
2) Lei dos gases perfeitos:
Associam as duas leis empíricas (tanto a lei de Boyle como a lei de Charles)
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O gás perfeito
3) Mistura de gases
Problemas aparecem na avaliação do comportamento dos gases quando ocorrem misturas. Qual a contribuição de cada componente da mistura na pressão total dos gases?
Para responder esta questão, foi formulada a Lei de Dalton, que diz que “a pressão exercida por uma mistura de gases ideais é a soma das pressões parciais dos gases” 
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O gás perfeito
Pressão total dos gases:
Onde para cada gás se tem:
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O gás perfeito
O modelo cinético dos gases: admite que a única contribuição à energia cinética do gás provém das energias cinéticas das moléculas em movimento.
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O gás perfeito
O modelo cinético dos gases parte de três hipóteses:
1) O gás é constituído por moléculas com movimento incessante;
2) O tamanho das moléculas é desprezível (o diâmetro é menor que a distância percorrida entre duas colisões);
3) As moléculas não interagem umas com as outras;
Estas implicações resultam na seguinte fórmula que relaciona a pressão e o volume dos gases:
Onde: M é a massa molar das moléculas; c2 é a velocidade média quadrática das moléculas
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O gás perfeito
Dessa forma, para que a equação seja válida e represente o estado de um gás perfeito, é necessário:
determinar a velocidade das moléculas:
conclui-se que a velocidade quadrática das moléculas é proporcional à raiz quadrada da temperatura e inversamente proporcional à raiz quadrada da massa molar
Quanto mais alta a temperatura e menor o tamanho da molécula, mais rápido ela se move.
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O gás perfeito
Dessa forma, para que a equação seja válida e represente o estado de um gás perfeito, é necessário:
b) Determinar a frequência de colisões:
	Onde: z é a frequência de colisões, que depende da seção reta de colisões das moléculas (sigma), da velocidade relativa e do número de moléculas no volume considerado.
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O gás perfeito
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O gás perfeito
Dessa forma, para que a equação seja válida e represente o estado de um gás perfeito, é necessário:
c) Determinar o percurso médio das moléculas:
É a distância média que uma molécula percorre entre duas colisões, durante um determinado tempo.
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O gás real
Os gases reais não cumprem exatamente a lei dos gases perfeitos
Desvios ocorrem quando:
Baixas temperaturas
Pressões elevadas
Devem ser considerados também os desvios causados por interações moleculares
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O gás real
As interações moleculares são representadas por forças de repulsão (que contribuem para a expansão do gás) e forças de atração (que contribuem para a compressão do gás)
Dado que existem diversos fatores que afastam o comportamento dos gases reais das equações postuladas para os gases perfeitos, van der Waals postulou uma fórmula geral que, embora menos precisa, é válida para todos os gases.
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O gás real
Equação de van der Waals: descreve a pressão dos gases reais em função de outros fatores, além de R, T e V
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O gás real
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*O gás real
A vantagem da equação de van der Waals é permitir algumas conclusões gerais a respeito do comportamento dos gases reais;
Porém, em alguns casos, esta equação falha em explicar o comportamento dos gases, e assim diversos outros postulados foram propostos
Berthelot
Dieterici
Beattie-Bridgman
Virial (Kammerlingh Onnes)
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Resolução de exercícios
No horário de aulas “práticas”