Webconferência - Físico-Química - Unidade 1 - Isaías

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FÍSICO-QUÍMICA
UNIDADE I – Gases e 1ª Lei da Termodinâmica
Prof. Isaías Soares
Gases – O que são?
• Um gás representa a forma mais simples da matéria e ocupa o volume total de qualquer recipiente que o
contenha. É conveniente tratar o gás como um conjunto de partículas (moléculas ou átomos) que se
movimentam de forma aleatória e constante, com velocidades que aumentam conforme a temperatura se
eleva.
Gases – O que são?
• Um gás representa a forma mais simples da matéria e ocupa o volume total de qualquer recipiente que o
contenha. É conveniente tratar o gás como um conjunto de partículas (moléculas ou átomos) que se
movimentam de forma aleatória e constante, com velocidades que aumentam conforme a temperatura se
eleva.
• Sólidos – Possuem forma e volume definidos.
Gases – O que são?
• Um gás representa a forma mais simples da matéria e ocupa o volume total de qualquer recipiente que o
contenha. É conveniente tratar o gás como um conjunto de partículas (moléculas ou átomos) que se
movimentam de forma aleatória e constante, com velocidades que aumentam conforme a temperatura se
eleva.
• Sólidos – Possuem forma e volume definidos.
• Líquidos – Possuem volume, mas não possuem forma definida.
Gases – O que são?
• Um gás representa a forma mais simples da matéria e ocupa o volume total de qualquer recipiente que o
contenha. É conveniente tratar o gás como um conjunto de partículas (moléculas ou átomos) que se
movimentam de forma aleatória e constante, com velocidades que aumentam conforme a temperatura se
eleva.
• Sólidos – Possuem forma e volume definidos.
• Líquidos – Possuem volume, mas não possuem forma definida.
• Gases – Não possuem volume e nem forma definidos
Gases – O que são?
• Um gás representa a forma mais simples da matéria e ocupa o volume total de qualquer recipiente que o
contenha. É conveniente tratar o gás como um conjunto de partículas (moléculas ou átomos) que se
movimentam de forma aleatória e constante, com velocidades que aumentam conforme a temperatura se
eleva.
• Sólidos – Possuem forma e volume definidos.
• Líquidos – Possuem volume, mas não possuem forma definida.
• Gases – Não possuem volume e nem forma definidos
Fonte: https://www.infoescola.com/quimica/estados-fisicos-da-materia/
Propriedades dos gases
Propriedades dos gases
Pressão - P
Propriedades dos gases
Pressão - P
Temperatura - T
Propriedades dos gases
Pressão - P
Temperatura - T
Volume - V
Propriedades dos gases
Pressão - P
Temperatura - T
Volume - V
Número de mols - n
Propriedades dos gases
Pressão - P
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. Matematicamente:
A
FP =
Propriedades dos gases
Pressão - P
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. Matematicamente:
No SI: Pa (Pascal)= N/m2.
A
FP =
Propriedades dos gases
Pressão - P
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. Matematicamente:
No SI: Pa (Pascal)= N/m2.
1 atm = 101325 Pa = 760 torr (antigo mmHg)
1 bar = 105 Pa
A
FP =
Propriedades dos gases
Pressão - P
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. Matematicamente:
No SI: Pa (Pascal)= N/m2.
1 atm = 101325 Pa = 760 torr (antigo mmHg)
1 bar = 105 Pa
No inglês: 1 atm = 14,7 PSI (pound square inch)
A
FP =
Propriedades dos gases
Temperatura - T 
É a propriedade que indica o grau de agitação das moléculas de um corpo.
No SI: 15,273)()( +°= CTKT
Propriedades dos gases
Temperatura - T 
É a propriedade que indica o grau de agitação das moléculas de um corpo.
No SI:
Temperatura NÃO É CALOR!! Calor é energia!!
15,273)()( +°= CTKT
Propriedades dos gases
Volume - V 
Espaço ocupado pela matéria.
No SI: 1 m3 = 1000 L
1 L = 1000 mL
1 mL = 0,001 L = 10-6 m3.
Fonte: https://www.ducksters.com/kidsmath/finding_the_volume_of_a_cube_or_box.php
Propriedades dos gases
Volume - V 
Espaço ocupado pela matéria.
No SI: 1 m3 = 1000 L
1 L = 1000 mL
1 mL = 0,001 L = 10-6 m3.
Fonte: https://www.ducksters.com/kidsmath/finding_the_volume_of_a_cube_or_box.php
Qual a melhor unidade de volume para medir gases?
Propriedades dos gases
Número de mols - n
Propriedades dos gases
Número de mols - n
1 dezena = 10 unidades
Propriedades dos gases
Número de mols - n
1 dezena = 10 unidades
1 dúzia = 12 unidades
Propriedades dos gases
Número de mols - n
1 dezena = 10 unidades
1 dúzia = 12 unidades
1 centena = 100 unidades
Propriedades dos gases
Número de mols - n
1 dezena = 10 unidades
1 dúzia = 12 unidades
1 centena = 100 unidades
1 mol = 6,02 x 1023 unidades (Qualquer coisa!!)
1 átomo de O = 16.u.m.a = 16 u
100 átomos de O = 1600 u;
1 mol de átomos de O = 16 g !!
Propriedades dos gases
Número de mols - n
1 dezena = 10 unidades
1 dúzia = 12 unidades
1 centena = 100 unidades
1 mol = 6,02 x 1023 unidades (Qualquer coisa!!)
1 átomo de O = 16.u.m.a = 16 u
100 átomos de O = 1600 u;
1 mol de átomos de O = 16 g !!
Quantos mols de moléculas de água você ingere ao tomar uma garrafa de água
mineral de 500 mL??
Propriedades dos gases
Número de mols - n
1 dezena = 10 unidades
1 dúzia = 12 unidades
1 centena = 100 unidades
1 mol = 6,02 x 1023 unidades (Qualquer coisa!!)
1 átomo de O = 16.u.m.a = 16 u
100 átomos de O = 1600 u;
1 mol de átomos de O = 16 g !!
Quantos mols de moléculas de água você ingere ao tomar uma garrafa de água
mineral de 500 mL??
Resposta: 1,67 x 1025 moleculas
Gás Ideal
O gás ideal é considerado formado por partículas esféricas que se movimentam
de forma aleatória e incessante, possuem tamanhos desprezíveis no sentido de
que seus diâmetros são muito menores que a distância percorrida durante a
colisão com outras moléculas e essa colisão (feita elasticamente) é feita sem
interação (atração ou repulsão) com as outras. Esse modelo idealizado é muito
útil para se prever o comportamento dos gases reais.
Gás Ideal
Para o gás ideal são consideradas as seguintes leis:
Lei de Boyle (processo isotérmico): o produto PV = cte. (P1V1 = P2V2)
Gás Ideal
Lei de Charles e Gay-Lussac (processos isobárico e isocórico): V/T = cte (V1/T1= V2/T2) e p/T =
cte. (p1/T1= p2/T2)
Exercício 1
Em um certo processo industrial, o nitrogênio é aquecido a 500K num vaso de
volume constante. Se o gás entra no vaso a 100 atm e 300K, qual a sua pressão
na temperatura de trabalho, admitindo o comportamento de gás perfeito? Que
temperatura teria a amostra se sua pressão fosse de 300 atm?
Exercício 1
Em um certo processo industrial, o nitrogênio é aquecido a 500K num vaso de
volume constante. Se o gás entra no vaso a 100 atm e 300K, qual a sua pressão
na temperatura de trabalho, admitindo o comportamento de gás perfeito? Que
temperatura teria a amostra se sua pressão fosse de 300 atm?
Solução: Já que o volume é constante, vamos usar a equação de Gay – Lussac
Para uma pressão de 300 atm:
atm 167P2 =→=→= K
P
KT
P
T
P
500300
atm 100 2
2
2
1
1
K 900T2 =→=→=
22
2
1
1 atm 300
300
atm 100
TKT
P
T
P
Exercício 2
Um balão selado, quando cheio de ar, tem volume de 50,0 m3 a 22 °C ea uma
dada pressão. O balão é aquecido. Assumindo-se que a pressão é constante, que
volume ocupará o balão quando sua temperatura subir para 81°C?
Exercício 2
Um balão selado, quando cheio de ar, tem volume de 50,0 m3 a 22 °C e a uma
dada pressão. O balão é aquecido. Assumindo-se que a pressão é constante, que
volume ocupará o balão quando sua temperatura subir para 81°C?
Solução: Se a pressão é constante, usaremos a Lei de Charles. Lembre-se que a
temperatura precisa ser convertida para Kelvin :
3
2 m 60V =→
+
=
+
→=
K
V
KT
V
T
V
)27381()27322(
m 50 23
2
2
1
1
Equação do Gás Ideal
A equação que relaciona todas as propriedades do gás perfeito (volume,
temperatura, pressão e número de mols) é dada por:
P.V = n. R. T
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):
Katm.L/mol. 0,082===
273K x mol 1
22,4L x atm 1
nT
PVR
Exercício 3
Qual o volume de um balão contendo 44,0 g de gás hélio, utilizado em parques de diversões ou 
em propaganda, num dia em que a temperatura é 32 °C, e a pressão do balão é 2,50 atm? 
(Dados: R = 0,082 atm L mol–1 K–1; massa molar do He = 4,0 g mol–1)
Exercício 3
Qual o volume de um balão contendo 44,0 g de gás hélio, utilizado em parques de diversões ou 
em propaganda, num dia em que a temperatura é 32 °C, e a pressão do balão é 2,50 atm? 
(Dados: R = 0,082 atm L mol–1 K–1; massa molar do He = 4,0 g mol–1)
Solução: Como a massa molar do gás hélio é de 4g/mol, significa que em 44 g desse gás, 
teremos: 44/4 = 11 mols. Usando finalmente a equação do gás ideal:
L 110===
atm 5,2
305. 
.
atm.L 0,082
 x mols 11
..
K
Kmol
P
TRnV
Mistura de Gases
Quando uma amostra de gás é constituída por uma mistura de vários gases
(como o ar que respiramos, por exemplo), podemos determinar a contribuição
de cada propriedade de cada componente da mistura. Por exemplo, pode-se
determinar a pressão parcial de cada gás, ou seja, a contribuição dessa
propriedade feita por um gás em particular presente na mistura. Por definição:
Pi = P.xi
Pressão parcial do componente i
Pressão total da mistura
Fração molar do componente i na mistura
Xi = ni/nT
ni = número de mols de i
nT = número de mols total
Exercício 4
20,0 g de uma mistura contendo 88% de CO2 e 12% de He em massa ocupam um volume de 40L 
a –73 °C. Calcule:
a) A pressão da mistura;
b) As pressões parciais de cada gás.
Exercício 4
20,0 g de uma mistura contendo 88% de CO2 e 12% de He em massa ocupam um volume de 40L 
a –73 °C. Calcule:
a) A pressão da mistura;
b) As pressões parciais de cada gás.
Dados: massas molares: CO2 = 44g/mol ; He = 4g/mol.
Solução: As massas individuais dos gases, são: 
Para o CO2: 20g x 0,88 = 17,6 g
Para o He: 20g x 0,12 = 2,4 g 
E os números de mols de cada um são: 
Para o CO2: 17,6/44 = 0,4 mols
Para o He: 2,4/4 = 0,6 mols. Isso totaliza 0,6 + 0,4 = 1 mol. Assim, a pressão total da mistura é: 
a) P = nRT/ V=1 x 0,082 x 200 /40 = 0,41 atm
b) As pressões parciais são: PCO2 = 0,41 atm x 0,4/1 = 0,164 atm e PHe = 0,41 atm x 0,6/1 = 0,246 atm
Gases reais
Os gases, na realidade, não obedecem exatamente à lei dos gases ideias. Essa
aproximação só é coerente a baixas pressões (ou no limite de p tendendo a 0)
ou quando o volume ocupado é grande (V tendendo a infinito). Esses desvios
de comportamento em relação ao gás ideal são devidos às interações entre as
moléculas do gás (atração e repulsão). As forças atrativas contribuem para a
compressão (diminuição do volume) e as forças repulsivas para a expansão
(aumento do volume).
Gases reais
O fator de compressibilidade (Z)
mV
VmZ 0=
Volume molar gás real
Volume molar se ele fosse ideal
Para um gás ideal: Z = 1
Para um gás real: Z < 1 (interações atrativas dominantes) ou Z > 1 (interações 
repulsivas dominantes)
Gases reais
O fator de compressibilidade (Z)
Exercício 5
Um gás a 250K e com volume molar de 1,5 L/mol possui um fator de compressibilidade de 1,20. 
Determine a pressão do gás. As forças dominantes entre as moléculas do gás são atrativas ou 
repulsivas?
Exercício 5
Um gás a 250K e com volume molar de 1,5 L/mol possui um fator de compressibilidade de 1,20. 
Determine a pressão do gás. As forças dominantes entre as moléculas do gás são atrativas ou 
repulsivas?
Solução: A equação do fator de compressibilidade pode ser modificada para que fique em função 
da pressão e da temperatura do gás real. Basta substituir Vm0 por RT/P, que dá:
Logo: P = ZRT/Vm = 1,2 x 0,082 x 250 / 1,5 = 16,4 atm
Como Z > 1, as interações dominantes do gás são REPULSIVAS. 
RTZPVmou 
RT
PVmZ ==
A Equação de van der Waals
 
V
a
bV
RTPou 
V
n
a
nbV
nRTP 2
mm
2
2
−
−
=−
−
=
Correção da interação entre as moléculas (atm.L2/mol2)
Correção do volume molar (L/mol)
A Equação de van der Waals
Gás a (atm.L2/mol2) b (10-2 L/mol)
Ar 1,337 3,20
C2H4 4,552 5,82
C2H6 5,507 6,51
CH4 2,273 4,31
Cl2 6,260 5,42
CO 1,453 3,95
CO2 3,610 4,29
Exercício 6
Admita que 5 mols de etano estejam confinados num vaso de 2,83 L, a 27°C. Estime a pressão 
do etano utilizando a equação de Van der Waals e calcule seu fator de compressibilidade. Dado: 
R = 0,082 atm.L/mol.K; a = 5,507 atm.L2/mol2 e b = 0,0651 L/mol
Exercício 6
Admita que 5 mols de etano estejam confinados num vaso de 2,83 L, a 27°C. Estime a pressão 
do etano utilizando a equação de Van der Waals e calcule seu fator de compressibilidade. Dado: 
R = 0,082 atm.L/mol.K; a = 5,507 atm.L2/mol2 e b = 0,0651 L/mol
Solução: Substituindo na equação de van der Waals, vamos ter:
E o fator de compressibilidade é:
atm 31,9=−
−
→−
−
= 22
22
22
2
2
L83,2
5/molatm.L 507,5
mol/L 0,0651 x mols 583,2
300Kx 
mol.K
atm.L 082,0
 x mols 5
mol
LV
n
a
nbV
nRTP
0,73===
 300 x 0,082 x 5
 2,83 x 9,31
nRT
PVZ
Termodinâmica
O desprendimento ou a liberação de energia pode ser utilizado para produzir calor,
como na queima de um combustível num forno, produzir trabalho mecânico, como
na queima de combustível num automóvel e na produção de trabalho elétrico numa
reação química que fornece elétrons através de um circuito. Todos esses efeitos
de trocas de energia entre os sistemas, sejam químicos (através de reações
químicas), físicos (através de fontes hidrelétricas) ou biológicos (alimentos se
processando para fornecerem energia aos seres vivos) são objetos de estudo da
Termodinâmica.
Termodinâmica
Universos termodinâmicos:
Sistema: Objeto de estudo.
Vizinhanças: Tudo o que rodeia o sistema e pode interagir com ele.
1ª Lei da Termodinâmica
“Em qualquer sistema isolado a variação de
energia interna é igual a zero”
∆U = Q + W
O sistema efetua trabalho para as vizinhanças: W < 0
O sistema recebe trabalho das vizinhanças: W > 0
O sistema cede calor para as vizinhanças: Q < 0
O sistema recebe calor das vizinhanças: Q > 0
Exercício 7
Um certo sistema recebe 200 J na forma de calor e realiza 60 J na forma de trabalho. Calcule a 
variação de sua energia interna.
Exercício 7
Um certo sistema recebe 200 J na forma de calor e realiza 60 J na forma de trabalho. Calcule a 
variação de sua energia interna.
Solução: Se o sistema recebe 200 J na forma de calor, teremos Q = 200 J. E se ele realiza 60 J 
na forma de trabalho, teremos: W = - 60 J. Logo:
∆U = Q + W � ∆U = 200 J + (- 60 J ) = 140 J
Não esqueça de estudar o material! Até a próxima Webconferência!
Grande abraço!