Física 2 Uma Abordagem Estratégica Termodinamica, Optica Randall D. Knight (2009, Bookman)

Física 2 Uma Abordagem Estratégica Termodinamica, Optica Randall D. Knight (2009, Bookman)


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satisfatoriamente no ponto triplo. 
Para a água, o ponto triplo ocorre a T3 = 0,01 ºC e p3 = 0,006 atm. 
A significância do ponto triplo da água é sua conexão com a escala de temperatura 
Kelvin. A escala Cclsius exige dois pontos de referência, os pontos de ebulição e de 
fusão da água. Podemos agora ver que estes pontos de referência não são satisfatórios, 
pois seus valores variam conforme a pressão se altera. Em contraste, há somente uma 
temperatura na qual o gelo, a água líquida e vapor d'água coexistem em equilíbrio. Se 
você produzir este equilíbrio no laboratório, então você terá certeza de que o sistema 
está na temperatura do ponto triplo. 
A temperatura do ponto triplo da água é um ponto de referência ideal, portanto a es-
cala de temperatura Kelvin é definida como uma escala de temperatura linear que inicia 
em O K, o zero absoluto, e passa por 273, 16 K no ponto triplo da água. Uma vez que T3 
= 0,01 ºC, o zero absoluto na escala Celsius corresponde a T0 = - 273, 15°C. 
NOTA .,.. Para ser consistente com nosso uso de números significativos, T0 = -273 
K é o valor apropriado a ser utilizado em cálculos a menos que você conheça outras 
temperaturas com uma precisão melhor do que 1 ºC. ..,. 
PARE E PENSE 16.4 Para qual destes materiais há uma temperatura de sublimação maior do 
/ que uma temperatura de fusão? 
' a. Água b. Dióxido de carbono c. Ambos d. Nenhum 
16.5 Gases ideais 
Os gases são os sistemas macroscópicos mais simples. Nosso objetivo no restante deste 
capítulo será entender como as propriedades macroscópicas de um gás mudam conforme 
o estado do gás é alterado. 
Ao passo que hoje em dia admitimos como certo que a matéria consiste de átomos, 
a evidência para a existência dos átomos não é, de forma alguma, óbvia. O conceito de 
átomos foi formulado por dois filósofos gregos, Leucipo e Demócrito, que se destaca-
ram por volta de 440-420 a.C. Eles sugeriram que toda a matéria consiste de partículas 
pequenas, rígidas, indivisíveis e indestrutíveis, que denominaram áromos. 
O modelo atômico foi revisto por volta de 1740 por Daniel Bernoulli, a quem o nome 
da equação de Bernoulli na dinâmica dos fluidos constitui uma homenagem. Bernoulli 
sugeriu que um gás consiste de átomos pequenos e rígidos que se deslocam aleatoria-
mente a velocidades razoavelmente grandes e, de vez em quando, colidem entre si ou 
com as paredes do recipiente. Curiosamente, as idéias de Bernoulli não foram aceitas 
por quase um século. O valor de seus postulados não foi reconhecido até que houves-
se uma compreensão completa da conservação de energia em meados do século XIX. 
Diversos cientistas, então, desenvolveram as idéias de Bernoulli até chegarem na teoria 
cinética dos gases, que estudaremos no Capítulo 18. 
Os alimentos levam mais tempo para 
cozinhar em altitudes altas porque, neste 
caso, o ponto de ebulição da água é 
menor do que 1 OOºC. 
490 Física: Uma Abordagem Estratégica 
.. QO ... 
~3 
1 
u 1 
1 : Força de repulsão grande 
: ,. ....... 7 .. para r < r cq 
,a· ' 
, -········· Força de atração fraca 
: parar> rcq 
1--~~--.~~~-..~~~-.- r(nm) 
0,0 0,4 0,6 
Posição de cquillbrio r&quot;' 
FIGURA 16.s Diagrama da energia potencial 
para a interação de dois átomos. 
u 
/ 
... Os átomos ricocheteiam 
.. ········· quando seus centros estão 
,. .. ...- separados a = 0,1 run. 
Os átomos não interagem 
... de fonna algw11a se 
/ r > ,. . 
.... ooauito 
l--~'----,,--'\u2022~·~~7, ~~~~,;--r (nm) 
; o,2 o.4 o.6 o.o 
FIGURA 16.6 Energia potencial de interação 
entre dois átomos no modelo idealizado 
de esfera rígida. 
O que as observações macroscópicas nos sugerem acerca das propriedades dos áto-
mos? Uma observação, que já foi feita anterionnente neste capítulo, é que os sólidos e os 
líquidos são praticamente incompressíveis. A partir disso, podemos inferir que os átomos 
são razoavelmente &quot;rígidos&quot; e não podem ser esmagados juntos quando entram em contato 
uns com os outros. Os átomos também resistem a tentativas de separá-los. Os sólidos não 
seriam rígidos se seus átomos não fossem mantidos juntos por forças de atração. Essas for-
ças de atração são responsáveis pela força de tração dos sólidos- a intensidade necessária 
para quebrar o sólido-. bem como pela coesão das gotas dos líquidos. Apesar disso, é bem 
mais fácil quebrar um sólido ou dispersar um líquido do que comprimi-lo, de modo que 
tais forças de atração devem ser fracas em comparação com as forças de repulsão, as quais 
surgem quando pressionamos os átomos muito próximos uns contra os outros. 
Essas observações implicam que um átomo é uma partícula pequena que é fracamente 
atraída pelos outros átomos vizinhos, mas fortemente repelida por estes quando se encon-
tram próximos demais. Esta é exatamente a visão que desenvolvemos no Capítulo l O para as 
ligações moleculares. A FIGURA 16.5 mostra o diagrama de energia potencial de dois átomos 
separados por uma distância r. Do Capítulo II, lembre-se de que a força exercida por um 
átomo sobre outro é o negativo da declividade do gráfico. A declividade é grande e negativa 
para valores de r menores do que o valor de equilíbrio, r .,., de modo que, para r < r .,., a força 
é grande e de repulsão. Para um valor de r levemente maior do que r cq\u2022 a modesta declivida-
de positiva indica uma força de atração fraca. A declividade se toma zero em r &quot;&quot; 0,4 nm, 
portanto a força de atração se restringe aos átomos distanciados em tomo de 0,4 nm entre si. 
Os átomos separados por mais do que cerca de 0,4 nm praticamente não interagem. 
Sólidos e líquidos são sistemas em que a separação atômica é muito próxima de 
r0q; logo, as forças atômicas de atração e de repulsão estão equilibradas. Se você tentar 
pressionar os átomos para aproximá-los mais uns dos outros, as forças de repulsão ofere-
cerão resistência. E se você tentar separá-los, as forças de atração farão o mesmo. 
Um gás, por outro lado, é muito menos denso, e o espaçamento médio entre os áto-
mos é muito maior do que r exr Conseqüentemente, os átomos de um gás geralmente não 
estão interagindo uns com os outros. Pelo contrário, eles passam a maior parte do tempo 
deslocando-se livremente através do espaço e somente ocasionalmente se aproximam o 
suficiente para poderem interagir com outros átomos. Quando dois átomos colidem, é 
a &quot;parede&quot; íngreme da curva de energia potencial para r < r cq que se toma importante. 
Essa parede de energia potencial representa a força elétrica de repulsão que tende a afas-
tar os átomos quando eles colidem. A pequena distância na qual os átomos sofrem uma 
fraca força de atração não tem, essencialmente, qualquer importância porque os átomos 
passam muito pouco tempo separados por tais distâncias. 
O modelo de gás ideal 
Com essas idéias em mente, suponha que se queira substituir a curva real da energia 
potencial da Figura 16.5 pela curva da energia potencial aproximada da FIGURA 16.6, Esta 
é a curva de energia potencial correspondente à interação entre duas &quot;esferas rígidas&quot; 
que não têm interação nenhuma até entrarem em contato material, na separação r _....,, e 
depois ricochetearem. 
O modelo atômico de esfera rígida representa o que poderíamos chamar de átomo 
ideal. Esta é a idéia de Demócrito sobre o átomo como uma partícula pequena e rígida . 
Um gás constituído por esses átomos ideais é chamado de gás ideal. Trata-se de uma co-
leção de átomos pequenos, rígidos, que se movem aleatoriamente e que ocasionalmente 
colidem e ricocheteiam uns nos outros, mas que, a não ser por estes eventos ocasionais, 
não interagem entre si. O gás ideal é um modelo de um gás real e, como acontece com 
qualquer outro modelo, é uma descrição simplificada. Apesar disso, experimentos de-
monstram que o modelo de gás ideal é bastante bom para descrever o comportamento 
dos gases quando duas condições são satisfeitas: 
1. a densidade é baixa (isto