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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE FEIRA DE SANTANA - UEFS DISCIPLINA: FÍSICO-QUÍMICA I CURSO: ENGENHARIA DE ALIMENTOS PRÁTICA 1 – DEMONSTRAÇÃO DA EXISTÊNCIA DE PRESSÃO Feira de Santana Setembro, 2010. 2 CAMILA SAIANI SANTOS PEREIRA IVO HENRIQUE PINTO ANDRADE LORENA LIMA DE SANTANA MARCELA MAGALHÃES MARCELINO PRÁTICA 1 – DEMONSTRAÇÃO DA EXISTÊNCIA DE PRESSÃO Relatório apresentado em cumprimento parcial às exigências da disciplina Físico-Química I do Curso de Engenharia de Alimentos, da Universidade Estadual de Feira de Santana, UEFS. Docente: Vânia Rastelly Feira de Santana Setembro, 2010 3 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO .................................................................................................................. 4 2. OBJETIVO .......................................................................................................................... 6 3. METODOLOGIA ............................................................................................................... 6 4. DISCUSSÃO DOS RESULTADOS................................................................................... 8 5. CONCLUSÃO .................................................................................................................. 12 6. QUESTÕES ...................................................................................................................... 13 7. REFERÊNCIAS ................................................................................................................ 16 4 1. INTRODUÇÃO Uma amostra de uma substância pode se apresentar em vários estados físicos, dentre os quais o estado gasoso, que é o mais simples, visto que pode preencher qualquer recipiente que o contenha. Ele é definido pelas propriedades: quantidade de substância, temperatura, volume e pressão. A Equação do Estado ou Equação de Clayperon (1) definida pela termodinâmica é a relação matemática que envolve os valores das quatro propriedades do estado gasoso. (1) Onde P é a pressão, V é o volume ocupado pelo gás, n a quantidade de matéria do gás, T a temperatura e R a constante universal dos gases. Um gás ideal é aquele onde a equação do estado (1) é válida, ou seja, aquele que confirma a relação PV = nRT. Entretanto gases ideais não se fazem presentes no cotidiano, sendo assim procura-se entender o comportamento dos gases reais já que eles não representam o comportamento dos gases ideais. Quando no estado gasoso, as substâncias apresentam suas moléculas muito distantes uma das outras, o que dificulta muito as interações. Assim sendo, constantemente há choques das moléculas contra as paredes do recipiente que as contém; este movimento contínuo e caótico exerce sobre as paredes uma força por unidade de área (pressão). Vários fatores podem causar uma variação da pressão, como a temperatura, que aumenta a energia cinética das partículas, causando mais choques e assim aumentando a pressão. Os gases ideais obedecem às seguintes leis: A Lei de Boyle que considera que o volume é inversamente proporcional a pressão, ou seja, se o volume aumenta a pressão diminui e vice-versa. Todavia essa lei só é válida nos limites de pressões baixas. A lei de Charles, ou Lei de Gay-Lussac afirma que o volume é diretamente proporcional a temperatura. Essa lei só tem validade se a pressão for baixa, assim sendo, a lei de Charles mostra que a pressão de um gás tende a zero se a temperatura tender a zero. O princípio de Avogadro diz que volumes iguais de gases, nas mesmas condições de temperatura e pressão contêm o mesmo número de moléculas, ou seja, o volume do gás é proporcional ao número de mols presentes. Os gases reais não obedecem exatamente às leis dos gases perfeitos acima citadas. Os desvios são particularmente notáveis nas pressões elevadas e nas temperaturas alta. Para isso há o fator de compressibilidade (Z), que é uma medida de desvio da idealidade, onde o gás 5 real é comparado ao gás perfeito numa razão, onde os mesmos são expostos as mesmas condições de pressão e temperatura. A pressões muito baixas, todos os gases têm e comportam-se quase como perfeitos. Para os gases reais, as interações intermoleculares são responsáveis por diferenciar suas características. A transformação que os gases podem sofrer ocorre devido a variações de suas propriedades (pressão, temperatura, volume e quantidade de matéria). As transformações gasosas são as mudanças que ocorrem no comportamento de um gás e a partir dessas pode-se estabelecer relações para os gases ideais. Dentre os gases reais presentes no cotidiano estão àqueles presentes em bebidas gaseificadas. Os refrigerantes são bebidas compostas por uma mistura de água, gás (CO2 – gás carbônico) e um xarope específico, que fornece o gosto e a cor a bebida. O gás é colocado nos refrigerantes, num processo que envolve a mistura de substâncias no estado líquido e no estado gasoso. O gás é caracterizado por ter suas moléculas apresentadas em movimento desordenado, assim sendo, essas moléculas se chocam o tempo todo entre si, e quando há um obstáculo, no caso a superfície de um líquido, essas moléculas penetram no líquido e lá ficam dissolvidas, este é o princípio geral, mas este está associado a fatores que podem facilitar ou dificultar a solubilização do gás no líquido. Vários fatores influenciam a dissolução do gás no liquido, tais como a pressão, ou seja, quanto maior a pressão, com mais força as moléculas colidem, e assim mais delas penetram no liquido. Outro fator é a temperatura do líquido, quanto maior a temperatura, mais agitadas as moléculas se apresentam e estão mais velozes e dessa forma as moléculas gasosas dissolvidas têm mais facilidade de escapar do liquido, então é mais difícil dissolver o gás; a agitação da superfície do liquido; quanto mais agitada estiver a superfície do líquido, mais facilmente as moléculas do gás entram e saem do liquido (troca gasosa), pois mais fácil será romper a tensão superficial. Na fabricação de refrigerantes os três ingredientes (água, CO2, xarope) não são misturados de uma só vez, o processo pode ocorrer de duas maneiras o pré-mix e post-mix. No pré-mix, primeiramente o fabricante juntam o gás carbônico e a água em um aparelho chamado carbonizador, nesse estágio ao misturar esses ingredientes o CO2 ao se dissolver na água da origem ao ácido carbônico que possui estado físico líquido, posteriormente o xarope é acrescentado ao ácido e a mistura se apresenta em equilíbrio. Para finalizar uma dose extra do gás é adicionada com o líquido já dentro da embalagem aumentado a pressão interna da bebida garantindo a conservação da mesma. 6 O post-mix consiste na mistura líquido-gás sendo feita na hora é um método muito usado em lanchonetes, os três ingredientes ficam estocados no próprio local de venda. O gás carbônico é misturado à água num carbonizador num tubo que resfria a bebida entre 4ºC a 8ºC e apenas no final do processo, já na saída da máquina na queda do bocal que a água gaseificada se junta ao xarope. Fora da máquina, o CO2 começa a se separar da água, assim como ocorre quando se abre uma lata ou uma garrafa Pet, onde se verifica o aparecimento de bolhinhas, que ocorre devido ao caimento da pressão no líquido e o ácido carbônico começa a se transformar novamente em gás e escapar do liquido na forma de bolhas. O gás pode levar horas ou até dias para sair completamente da bebida, apesar do gás junto com o xarope corresponder a apenas 1% da bebida, todo o restante é água. A água tônica é um refrigerante sabor quinino. Ela é feitacom água, gás carbônico, açúcar e hidrocloreto de quinino, um sal que dá a bebida o seu sabor amargo característico. Extraído da casca de uma planta denominada chichona ou quina, o quinino é conhecido por suas qualidades medicinais, sendo uma das substâncias ministradas no tratamento da malaria, entretanto a água tônica não deve ser utilizada para o tratamento, visto que a quantidade de quinino na água tônica é de cinco miligramas em um litro, e no tratamento da malaria se utiliza 1,5 gramas por dia, além de que nos medicamentos utiliza-se sulfato ou cloridrato de quinino, enquanto no refrigerante se utiliza o hidrocloreto. 2. OBJETIVO Promover a verificação da existência da pressão através da realização de uma sequência de experimentos. 3. METODOLOGIA 3.1 Materiais: 01 Garrafa de água mineral vazia (500 mL) Placa de aquecimento 01 lata de água tônica 01 Proveta Balança digital 01 Termômetro de mercúrio 7 Balões de festa 02 Canudos plásticos 01 vasilha de vidro com tampa plástica Aparelho medidor de pressão (barômetro) 01 béquer (1000 mL) 01 tesoura Fita adesiva Durepox Água 3.2 Método: 3.2.1 Experimento 1: À garrafa de 500 mL vazia adicionou-se água da torneira até a metade. A mesma permaneceu aberta dentro de um béquer de 1000 mL, contendo aproximadamente 500 mL de água. O conjunto (béquer-garrafa) foi posto para aquecer em uma placa de aquecimento à temperatura máxima. Após alguns minutos, iniciou-se a evaporação da água contida na garrafa. Em seguida, ela foi tampada e retirada do aquecimento, permanecendo sob estas condições, na bancada do laboratório para esfriar. Para acelerar o resfriamento, a garrafa ainda tampada foi colocada em contato direto com água corrente. Depois abriu-se a garrafa expulsando todo o líquido existente em seu interior, fechando-a imediatamente após a retirada. Na seqüência a garrafa foi novamente aberta. 3.2.2 Experimento 2: Utilizando a balança digital determinou-se a massa da lata de água tônica fechada. Encontrou-se o valor de 391,18g. Depois de aberta, a lata foi novamente pesada. O valor encontrado foi de 390,94g. A temperatura da água no interior da lata também foi medida: 24 °C, sendo a temperatura ambiente determinada, 23° C.O próximo procedimento consistiu na adição gradativa (de 5 em 5 mL) de água ao conteúdo da lata, utilizando para isso uma proveta de 10 mL. A adição foi sendo efetuada até que todo espaço existente no interior da lata fosse preenchido. Ao todo foram adicionados 14 mL de água. 8 3.2.3 Experimento 3: Com a ponta da tesoura foram feitos dois pequenos orifícios na tampa plástica. Na extremidade de um dos canudos prendeu-se um balão de festas, utilizando um pedaço de fita adesiva. O outro canudo permaneceu inalterado. Ambos foram então introduzidos no interior do frasco de vidro através dos dois furos feitos na tampa plástica. Em seguida, o frasco foi fechado, sendo as laterais da tampa isoladas com fita adesiva e os orifícios com durepox. A vedação de todos os orifícios se fez necessário para impedir a entrada de O2 no interior do frasco. Por fim, a extremidade do canudo sem a bexiga foi aspirada. 3.2.4 Experimento 4: Encheu-se um balão de festas até a metade de sua capacidade. Em seguida foram preparados dois recipientes, um contendo água com gelo e o outro, água quente. O balão foi mergulhado primeiramente em água gelada e repentinamente foi transferido para um recipiente com água quente. Como continuidade dos experimentos, mediu-se a pressão ambiente, sendo o valor encontrado de 747 mm Hg. 4. DISCUSSÃO DOS RESULTADOS 4.1 Experimento 1: Para iniciar o experimento a garrafa foi aquecida e tampada. Esse aquecimento da garrafa provocou um aumento da energia cinética das moléculas do gás, que por sua vez ocasionou num aumento da pressão interna (força exercida pelos choques das moléculas na garrafa). Assim, a pressão interna da garrafa e a externa se tornaram diferentes e como a pressão interna era maior, a garrafa sofreu uma pequena expansão de seu volume. Quando a garrafa foi colocada em contato direto com água corrente, o processo do seu resfriamento ocorreu de forma mais rápida, assim a temperatura do gás diminuiu e consequentemente a agitação das moléculas dele e da pressão interna. Com isso ocorreu uma compressão do gás (percebida em virtude da compressão da garrafa), ou seja, diminuição do volume, pois a pressão externa passou a se sobrepor à interna. Após essa etapa, a garrafa foi destampada e foi observada uma expansão do seu volume, pois houve escapamento de gás, fazendo a pressão da garrafa se equilibrar com a pressão ambiente e voltar a ter seu volume original. Em seguida a água presente na garrafa foi retirada e ela foi fechada imediatamente, para preservar o vapor presente. Depois quando foi 9 novamente colocada em contato com água corrente, mais uma vez a garrafa sofreu uma compressão devido á diminuição de sua pressão interna, só que dessa vez maior do que quando estava com água em seu interior, pois a água tem a capacidade de absorver e conservar calor, assim mantendo mais estável a temperatura interna e com isso maior agitação molecular. Quando está só com o vapor, não há conservação de calor e por isso a maior compressão da garrafa, já que a pressão interna se torna menor ainda que a externa. Quando a garrafa com vapor foi aberta, as pressões novamente se equilibraram e a garrafa retornou a sua estrutura original, ou seja, seu volume normal. 4.2 Experimento 2: No momento em que a lata de água tônica foi aberta, certa quantidade de gás CO2 escapou do líquido em questão. Isso ocorreu devido a pressão dentro da lata ser maior que a pressão ambiente e para que haja equilíbrio entre ambas, uma quantidade de gás foi liberada (sendo que o restante continua no líquido), diminuindo a quantidade de moléculas na latinha, consequentemente a força exercida pelas colisões entre as moléculas do gás serão menos freqüentes, ou seja, a pressão diminuirá. Pode-se provar através dos dados coletados no experimento, que a pressão dentro da lata é maior que a pressão ambiente. Dados coletados: Massa da lata fechada: 391,18 g Massa da lata aberta: 390,94 g Temperatura ambiente: 23°C = 296º K Temperatura da lata: 24°C = 297° K Pressão medida no laboratório: 747 mmHg = 0,98 atm Volume Head space (volume ocupado pelo gás na lata) na lata: 14 mL = 0,014 L O primeiro passo é calcular a massa de gás CO2 que saiu da lata, que é a diferença da massa da lata fechada – a massa da lata aberta. 391,18 – 390, 94 = 0,24g 10 A pressão é calculada utilizando a equação de Clapeyron: PV = NtRT, na qual P = pressão medida no laboratório, V = volume de água adicionado na latinha (que corresponde ao volume do gás que saiu quando a lata foi aberta), Nt = número de mols total = número de mols residual na lata (Nr) + número de mols do gás que saiu (Ns) , R = constante universal dos gases e T = temperatura ambiente, em Kelvin. Antes de calcular a Pressão da lata, calcula–se o Ns e o Nr para se obter o Nt. Cálculo do número de mols da massa de gás que saiu da lata (Ns): Ns = massa/massa molar do gás Massa do gás obtida = 0,24 g Massa molar do CO2 = 44g Ns = 0,24/44 = 0,005 mol Para o cálculo do Nr, utiliza–se a formula: PV = NrRT, na qual P = pressão ambiente já determinada (0,98 atm), V = volume Head Space (0,0014 L), Nr será a incógnita, o R utilizado será: R = 0,082 L.atm.K-1. mol-1 e T (neste caso) = temperatura da lata (297º K). Cálculo do Número de mols residual na lata: PV = NrRT 0,98 . 0,014 = Nr . 0,082 . 297 0,014 = 24,35Nr Nr = 0,00058 mol Número de mols total (Nt) = Nr (0,00058 mol) + Ns (0,005 mol) = 0,0056 mol De posse do Nt, agoraa pressão total da lata de água tônica pode ser calculada na expressão PV = NtRT, onde P é a pressão da lata que deseja-se conhecer, V = 0,0014L, Nt = 0,0056 mol, R = 0,082 L.atm.K-1. mol-1 e T (temperatura ambiente) = 296º K PV = NtRT P . 0,014 = 0,00056 . 0,082 . 296°K 0,014P = 0,136 P = 9,71 atm 11 4.3 Experimento 3: No momento em que o canudo que está sem a bexiga foi aspirado, ocorre um aumento no volume desta, que ganha a forma do recipiente no qual está contida. Quando o gás é aspirado, o número de moléculas deste no recipiente acaba por diminuir. Assim, a força exercida pelas moléculas nas paredes do recipiente (ou seja, a pressão) diminui já que haverá menos moléculas exercendo força no frasco e o gás da bexiga tem mais “espaço” para se expandir, acarretando no aumento do volume da mesma. 4.4 Experimento 4: O balão de festas (cheio até a metade) foi mergulhado em um recipiente com água fria e foi observada uma redução do seu tamanho. Rapidamente o balão foi transferido para o recipiente com água quente e seu volume aumentou. Isso ocorreu, pois a pressão dentro do balão estava constante, ou seja, igual à pressão ambiente. Quando isso ocorre, o gás se expande com o aumento da temperatura e se comprime com a diminuição da mesma, qualquer que seja sua natureza. Essa situação corresponde ao enunciado da lei de Charles. 12 5. CONCLUSÃO Através dos experimentos podemos comprovar a existência da pressão, propriedade fundamental dos gases. O Princípio da lei de Charles, o qual diz que o volume aumenta com a temperatura, desde que a pressão seja constante, foi visto no experimento III da parte II (experimento das bexigas nos recipientes) e o princípio da lei de Boyle, que diz que a pressão de um gás é inversamente proporcional ao volume, nos experimentos I, II e III No experimento II foi utilizada a equação de Clapeyron, PV =NRT, para o cálculo da pressão de envase da lata de água tônica, pois a pressão utilizada é relativamente baixa, assim obedecendo as leis empíricas dos gases ideais, na qual o gás deve estar sob pressões baixas em relação ao ponto crítico. A pressão encontrada foi de 9,71 atm. Outra equipe, que também utilizou lata de água tônica no experimento, encontrou a pressão de 9,58 atm, valor relativamente próximo, que difere do primeiro pela pequena diferença do volume head space (que neste grupo foi de 16 mL). Assim, conclui-se que não há um valor fixo de pressão de envase para a água tônica, devido à pequena variação de volume do gás nas latas, mas sim valores bastante próximos de uma para outra. 13 6. QUESTÕES 1. Qual o enunciado da Lei de Boyle? A temperatura constante, a pressão de uma amostra de gás é inversamente proporcional ao seu volume. Logo, o volume da amostra é inversamente proporcional à pressão. Qualquer aumento de pressão produz uma diminuição de volume e qualquer aumento de volume produz uma diminuição de pressão. 2. Qual o enunciado da Lei de Charles? A um volume constante, a pressão de uma determinada massa de gás é diretamente proporcional a sua temperatura absoluta, ou seja, constante. 3. Como representar cada uma das leis? Lei de Boyle P1 . V1 = P2 . V2 = constante Lei de Charles = = constante 4. Qual a relação da Lei de Boyle e Charles com a equação PV=nRT? As leis de Boyle e de Charles podem se combinar para obtenção de uma equação de estado para um gás ideal. O resultado dessa combinação é a equação: Se a quantidade de gás for o volume molar (Vm) teremos: Onde R é uma constante do gás. Com o acréscimo da Lei de Avogadro conclui-se que R é igual para todos os gases, passando a se chamar constante universal dos gases. Logo, a equação de estado para um gás ideal, considerando um volume igual ao volume molar, á dada por: P . Vm = R . T Finalmente, para n mols de gás têm-se: 14 P . V = n . R . T onde P é a pressão absoluta, V o volume, n o número de mols, R a constante universal dos gases e T a temperatura absoluta dada em Kelvin. 5. Que é R e como pode ser encontrado? R é a constante universal dos gases. Ela pode ser determinada experimentalmente pela medida dos parâmetros do segundo membro da igualdade R = , de uma amostra de um mol de gás no limite da pressão nula, para se ter garantia do comportamento ideal. Outra forma de encontrá-la é através da medida da velocidade do som num gás à pressão baixa e extrapolação dos resultados à pressão nula. 6. Todos os gases seguem a equação PV=nRT? Não, apenas os gases perfeitos e os gases ideais seguem essa equação. 7. Como representar no gráfico as observações feitas por Charles e por Boyle? Figura 1 - Representação da Lei de Boyle Figura 2 - Representação da lei de Charles 8. O que é uma equação de estado? É uma equação que descreve cada gás, estabelecendo uma relação bem determinada entre as quatro variáveis (volume, número de moles, pressão e temperatura). A sua forma geral é: p = f(T,V,n). 9. O que acontece com a garrafa após ser tampada e retirada do aquecimento? 15 O aquecimento da garrafa provoca um aumento da energia cinética das moléculas do gás, que por sua vez ocasiona num aumento da pressão interna (força exercida pelos choques das moléculas na garrafa). Com isso, a pressão interna da garrafa e a externa se tornam diferentes e como a pressão interna é maior, a garrafa sofre uma pequena expansão de seu volume. 10. O que esses experimentos têm a ver com o modelo cinético dos gases? Através dos experimentos realizados, podemos confirmar o comportamento dos gases reais em gases ideais quando estes apresentam baixas pressões em determinadas situações descritas pela teoria cinética dos gases. Algumas delas como o aumento da velocidade média de suas moléculas com o aumento da temperatura, que acarreta na sua expansão quando a pressão é constante, a não - interação das moléculas entre si, pois como a pressão atmosférica é baixa, os gases se comportam como ideais, com tanto que não haja forças sobre eles que mudem este comportamento, e a existência da pressão, que é justamente decorrente dos choques das moléculas em um recipiente, provando assim que as moléculas estão em constante movimento, foram observadas nos experimentos feitos, confirmando assim os postulados da teoria para que um gás seja ideal. 11. Como podemos relacionar os gases reais e o fator de compressibilidade? O fator de compressibilidade dos gases reais (Z) pode ser definido como sendo a relação entre o volume que uma dada massa de gás ocupa em certas condições de pressão e temperatura e o volume que essa massa ocuparia nas mesmas condições de temperatura e pressão se fosse um gás ideal. O fator de compressibilidade funciona, portanto, como uma espécie de fator de correção entre o comportamento de gás ideal e o comportamento de gás real O fator de compressibilidade não é constante, varia com a composição do gás, com a temperatura e com a pressão. 16 REFERÊNCIAS CASTELLAN, G. W. Físico-Química; tradução de Luiz Carlos Guimarães, Livros Técnicos e Científicos, Vol. 1. Rio de Janeiro 1975. ATKINS, P. W; PAULA, Julio de. Fisico-quimica. 8 ed. Rio de Janeiro: LTC Ed, 2008 v. Como surgiu o refrigerante?. In: EDITORA ABRIL. Disponível em: <http://historia.abril.com.br/alimentacao/como-surgiu-refrigerante- 435773.shtml >. Acesso em: 31 ago. 2010 A lei de Henri In: UOL. Disponível em: <http://educacao.uol.com.br/quimica/ult1707u33.jhtm >. Acesso em: 31 ago. 2010 Tônica Antártica In: AMBEV. Disponível em: < http://www.ambev.com.gt/emp03a .htm >. Acesso em: 31 ago. 2010 Do que é feito a água tônica?. In: EDITORA ABRIL. Disponível em: <http://mundoestranho.abril.com.br/alimentacao/pergunta287911.shtml>.Acesso em: 31 ago. 2010 Propriedades da água. In: Só Biologia Disponivel em: <http://www.sobiologia.com.br/conteudos/Agua/Agua2.php>. Acesso em: 10 Set. 2010 Propriedade dos gases. In: Curso Prático e Objetivo Disponivel em: <http://www.tecnicodepetroleo.ufpr.br/apostilas/engenheiro_do_petroleo/gases_perf.pdf>. Acesso em: 11 Set. 2010 http://historia.abril.com.br/alimentacao/como-surgiu-refrigerante-435773.shtml http://historia.abril.com.br/alimentacao/como-surgiu-refrigerante-435773.shtml http://educacao.uol.com.br/quimica/ult1707u33.jhtm http://www.ambev.com.gt/emp03a%20.htm http://mundoestranho.abril.com.br/alimentacao/pergunta287911.shtml http://www.sobiologia.com.br/conteudos/Agua/Agua2.php
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