Aula 03_ propriedades dos gases_gases ideais

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As Propriedades dos Gases
Físico-química
Profa: Msc. Endi Pricila Alves
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Características dos gases
Os gases são altamente compressíveis e ocupam o volume total de seus recipientes.
Quando um gás é submetido à pressão, seu volume diminui.
Os gases sempre formam misturas homogêneas com outros gases.
Os gases ocupam somente cerca de 0,1 % do volume de seus recipientes.
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Características dos gases
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Pressão
A pressão é a força atuando em um objeto por unidade de área:
A gravidade exerce uma força sobre a atmosfera terrestre
Uma coluna de ar de 1 m2 de seção transversal exerce uma força de 105 N.
A pressão de uma coluna de ar de 1 m2 é de 100 kPa.
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Pressão
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Pressão
A pressão atmosférica e o barômetro
Unidades SI: 1 N = 1 kg m/s2; 1 Pa = 1 N/m2.
A pressão atmosférica é medida com um barômetro.
Se um tubo é inserido em um recipiente de mercúrio aberto à atmosfera, o mercúrio subirá 760 mm no tubo.
A pressão atmosférica padrão é a pressão necessária para suportar 760 mm de Hg em uma coluna.
Unidades: 1 atm = 760 mmHg = 760 torr = 1,01325  105 Pa = 101,325 kPa.
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Pressão
A pressão atmosférica e o barômetro
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Pressão
A pressão atmosférica e o barômetro
As pressões de gases não abertos para a atmosfera são medidas em manômetros. 
Um manômetro consiste de um bulbo de gás preso a um tubo em forma de U contendo Hg:
Se Pgas < Patm então Pgas + Ph2 = Patm.
Se Pgas > Patm então Pgas = Patm + Ph2.
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Os estados físicos da matéria
Sublimação
(sólido em
gás ou gás
em sólido)
Gás
Evaporação
(líquido em gás)
Condensação
(gás em líquido)
Líquido
Sólido
Congelamento
(líquido em sólido)
Fusão (sólido
ou vidro em líquido)
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Gases Ideais
Átomos ou moléculas em movimento contí-nuo e aleatório;
Átomos ou moléculas como esferas rígidas;
A velocidade das partículas aumenta com a temperatura;
As distâncias entre partículas são relativa-mente grandes; e
As forças interatômicas/intermoleculares são desprezíveis.
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O estado gasoso
	Pressão (p)
	Volume (V)
	Temperatura (T)
A transformação gasosa ocorre quando pelo menos uma das variáveis de estado se modifica.
Variáveis de estado
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Os Estados dos Gases
Equação de estado de um gás:
p = ƒ(T,V,n)
Equação de estado de um gás ideal:
Quanto vale mesmo o R?
8,31451 J·K–1·mol–1
1,98722 cal·K–1·mol–1
8,31451 Pa·m3·K–1·mol–1
62,364 L·Torr·K–1·mol–1
0,0831451 L·bar·K–1·mol–1
0,0820578 L·atm·K–1·mol–1
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Pressão é definida como a força dividida pela área na qual a força é aplicada.
A unidade SI de pressão, o pascal (Pa), é definido como:
1 Pa = 1 N·m–2
A pressão de 105 Pa (1 bar) é a pressão padrão para se relatar dados, sendo repre-sentada por p.
Equilíbrio Mecânico
Os Estados dos Gases
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Temperatura, T, é a proprie-dade que nos informa o sen-tido do fluxo de energia.
Uma fronteira é diatérmica se uma mudança de estado é observada quando dois objetos a diferentes tempe-raturas são colocados em contato.
Uma fronteira é a adiabática se nenhuma mudança ocor-re mesmo quando os dois objetos têm temperaturas di-ferentes.
Equilíbrio Térmico
Os Estados dos Gases
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Temperatura é a proprieda-de que nos informa se dois objetos estarão em equilíbrio térmico se forem colocados em contato através de uma fronteira diatérmica.
O equilíbrio térmico está estabelecido se nenhuma mudança de estado ocorre quando dois objetos A e B estão em contato através de um fronteira diatérmica.
T(K) = (°C) + 273,15
A Lei Zero da Termodinâmica
“Se A está em equilíbrio térmico com B, e B está em equilíbrio tér-mico com C, então C também es-tá em equilíbrio térmico com A."
Os Estados dos Gases
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Transformações gasosas
Isotérmicas: a temperatura do sistema permanece constante.
Isobáricas: a pressão é mantida constante.
Isovolumétricas (isométricas ou isocóricas): o volume permanece constante. 
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As Leis dos Gases : Lei de Boyle
Relação pressão-volume: lei de Boyle
Os balões de previsão de tempo são usados como uma consequência prática para a relação entre a pressão e o volume de um gás.
Quando o balão de previsão de tempo sobe, o volume diminui.
Quando o balão de previsão de tempo se distancia da superfície terrestre, a pressão atmosférica diminui.
A Lei de Boyle: o volume de uma quantidade fixa de gás é inversamente proporcional à sua pressão.
Boyle usou um manômetro para executar o experimento.
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As Leis dos Gases : Lei de Boyle
Relação pressão-volume: lei de Boyle
Matematicamente:
Um gráfico de V versus P é um hiperbolóide.
Da mesma forma, um gráfico de V versus 1/P deve ser uma linha reta passando pela origem.
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Transformação Isotérmica
 Lei de Boyle: a pressão exercida por um gás ideal é inversamente proporcional ao seu volume. 
	p  V = constante
Considerando o estado inicial A e final B de um gás ideal sofrendo uma transformação isotérmica, temos:
pA  VA = pB  VB
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Transformação Isotérmica
3p
3V
p
T
T
V
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As Leis dos Gases: Lei de Boyle
Lei de Boyle (T cte.):
pV = constante
É uma lei limite (válida para p  0).
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As Leis dos Gases: Lei de Charles 
Relação temperatura-volume: lei de Charles
Sabemos que balões de ar quente expandem quando são aquecidos.
A lei de Charles: o volume de uma quantidade fixa de gás à pressão constante aumenta com o aumento da temperatura.
Matematicamente:
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As Leis dos Gases: Lei de Charles 
Relação temperatura-volume: lei de Charles
Um gráfico de V versus T é uma linha reta.
Quando T é medida em C, a intercepção no eixo da temperatura é -273,15C. 
Definimos o zero absoluto, 0 K = -273,15C.
Observe que o valor da constante reflete as suposições: quantidade de gás e pressão.
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Transformação Isovolumétrica
 Lei de Charles para transformações a volume constante: a pressão do gás é diretamente proporcional a sua temperatura absoluta (em kelvins):
p = k  T
(k = constante)
 Considerando o estado inicial A e final B de um gás ideal sofrendo uma transformação isobárica, temos:
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Transformação 
Isovolumétrica
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Transformação Isobárica
 Lei de Charles e Gay-Lussac: o volume ocupado por um gás é diretamente proporcional a sua temperatura absoluta (em kelvins). 
V = k  T
(k = constante)
 Considerando o estado inicial A e final B de um gás ideal sofrendo uma transformação isobárica, temos:
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Transformação 
Isobárica
Experimento de Joseph-Louis Gay-Lussac para transformações a pressão constante
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As Leis dos Gases: Lei de Charles 
Lei de Charles (p cte.):
V = constante  T
Lei de Charles (V cte.):
p = constante  T
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As Leis dos Gases: Lei de Avogadro 
Relação quantidade-volume: lei de Avogadro
A lei de Gay-Lussac de volumes combinados: a uma determinada temperatura e pressão, os volumes dos gases que reagem são proporções de números inteiros pequenos.
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As Leis dos Gases: Lei de Avogadro 
Relação quantidade-volume: lei de Avogadro
A hipótese de Avogadro: volumes iguais de gases à mesma temperatura e pressão conterão o mesmo número de moléculas.
A lei de Avogadro: o volume de gás a uma dada temperatura e pressão é diretamente proporcional à quantidade de matéria do gás.
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As Leis dos Gases: Lei de Avogadro 
Relação quantidade-volume: lei de Avogadro
Matematicamente: 
Podemos mostrar que 22,4 L de qualquer gás a 0C contém 6,02  1023 moléculas de gás.
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As Leis dos Gases: Lei de Avogadro 
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Lei de Avogadro
“Volumes iguais de gases na mesma temperatura e pressão contêm o mesmo número de átomos ou moléculas.”
V = constante  N
CNTP (antiga)
p = 1 atm;  = 0°C
CNTP (atual)
p = 1 bar (105 Pa); T = 273,15 K
CATP
p = 1 bar (105 Pa); T = 298,15 K
As Leis dos Gases: Lei de Avogadro 
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As Leis dos Gases
Considere as três leis dos gases.
Podemos combiná-las em uma lei geral dos gases:Lei de Boyle:
Lei de Charles:
Lei de Avogadro:
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As Leis dos Gases
Se R é a constante de proporcionalidade (chamada de constante dos gases), então
A equação do gás ideal é:
R = 0,08206 L atm mol-1 K-1 = 8,314 J mol-1 K-1
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As três leis (Boyle, Charles e Avogadro) podem ser combinadas numa única expressão:
pV = constante  NT
A constante de proporcionalidade, que é a mesma para todos os gases, é simbolizada por R e é chamada de constante dos gases ideais. A expressão resultante
pV = nRT
é a chamada equação dos gases ideais. É uma lei limite.
As Leis dos Gases
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As Leis dos Gases
Superfície
dos estados
possíveis
Pressão, p
Volume, V
Temperatura, T
Pressão, p
Temperatura, T
Volume, V
Isoterma p,V
Isóbara V,T
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A equação dos gases ideais
Definimos TPP (temperatura e pressão padrão) = 0C, 273,15 K, 
 1 atm.
O volume de 1 mol de gás na TPP é: 
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A equação dos gases ideais
Relacionando a equação do gás ideal 
e as leis dos gases
Se PV = nRT e n e T são constantes, então PV = constante e temos a lei de Boyle.
Outras leis podem ser criadas de modo similar.
Em geral, se temos um gás sob dois grupos de condições, então:
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Aplicações adicionais da equação dos gases ideais
Densidades de gases e massa molar
A densidade tem unidades de massa por unidades de volume. 
Reajustando a equação ideal dos gases com M como massa molar, teremos:
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Aplicações adicionais da equação dos gases ideais
Densidades de gases e massa molar
A massa molar de um gás pode ser determinada como se segue:
Volumes de gases em reações químicas
A equação ideal dos gases relaciona P, V e T ao número de mols do gás.
O n pode então ser usado em cálculos estequiométricos.
Professor: na figura, aparelho composto de bomba pneumática, manômetro e tubo de vidro contendo óleo e gás, utilizado para realizar transformações isotérmicas e demonstrar a lei de Boyle. Ao acionarmos a bomba, sua pressão se transmite à coluna de óleo no tubo de vidro, a qual, por sua vez, alcança maior altura. Consequentemente, o volume ocupado pelo gás diminui. O manômetro é utilizado para medir a pressão aplicada
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Professor: o experimento é realizado em um cilindro munido de êmbolo sobre o qual podem ser colocados pesos conhecidos. O cilindro fica mergulhado em água continuamente renovada, de tal modo que sua temperatura se mantenha intencionalmente constante. Considere que os experimentos como o esquematizado sejam realizados em sistemas em que não ocorra vazamento de moléculas para o meio externo. Quando a pressão em cima do êmbolo é diminuída em 1/3 (dois pesos são retirados), o volume que o gás ocupa triplica.
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Professor: na foto, esquema de dispositivo que permite estudar experimentalmente a variação da pressão de um gás em relação à sua temperatura. O termômetro mede a temperatura da água em banho-maria, que é igual à do gás, devido ao equilíbrio térmico entre essa água, o balão de vidro e a massa de gás. O gráfico mostra como essa temperatura varia em função da pressão medida no manômetro.
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Professor: esquema simplificado do dispositivo que permitiu a Gay-Lussac (1778-1850) estudar experimentalmente a variação do volume de um gás em função da temperatura em que a massa de ar se encontra. A pressão sobre o gás é mantida constante. O gráfico mostra os resultados do experimento.
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