Aula [2] - Estudo do comportamento dos gases

Ao verificarmos imagens como essa, surgem algumas questões: por que o balão subiu para o teto, em vez de cair no chão? Por que ele retornará para o teto, se o puxarmos para baixo e o soltarmos?

A fim de respondermos a essas e outras questões estudaremos, a seguir, o comportamento dos gases.

As várias propriedades térmicas - calor específico, calor sensível e calor latente - foram discutidas, ao longo das aulas anteriores, com o intuito de identificar os diferentes comportamentos dos materiais numa situação de uso bem determinada.

Entretanto, não é possível explicar e interpretar tais comportamentos por mera observação. Para tanto será necessário fazer uso de um modelo físico que nos permita imaginar como são construídos os materiais, como eles se diferenciam entre si e que alterações ocorrem em seu interior durante os processos térmicos.

É a partir do conhecimento desse modelo que nos será possível interpretar as diferentes propriedades térmicas dos materiais. Nesse sentido, tal interpretação estará sempre condicionada ao modelo de matéria tomado a priori. Tal modelo deve também possibilitar a compreensão de como uma mesma substância pode se apresentar nos diversos estados da matéria (plasma, sólido, líquido e gasoso) ou passar de um estado para outro.

Modelo cinético-molecular da matéria

O modelo cinético-molecular de constituição da matéria baseia-se em três pressupostos fundamentais:

a) todas as substâncias são constituídas de moléculas que representam a menor parte da matéria capaz de conservar as mesmas propriedades químicas;

b) tais moléculas estão em contínuo movimento caótico ou desordenado;

c) a curta distância, as moléculas interagem entre si.

Acesse o link

http://pion.sbfisica.org.br/pdc/index.php/por/Multimidia/Simulacoes/Fluidos/Propriedades-dos-gases

e manipule a simulação modificando o volume, a temperatura e a pressão.

A partir de sua interação, faça uma síntese procurando justificar algumas questões como:

a) O que ocorre com a velocidade das moléculas?

a) Que choques vocês observa?

b) Como você compara a distância entre as moléculas com o choque entre elas?

c) O que se pode dizer sobre a temperatura, volume e pressão em relação ao movimento das moléculas?

 

Poste suas conclusões sobre esse assunto.

Estude um pouco mais..........

Energia Interna

Como pudemos ver na simulação, a intensidade do movimento desordenado das moléculas de uma substância depende da temperatura (T) em que elas se encontram. Esse movimento é denominado movimento térmico. Quanto mais elevada a temperatura da substância, mais intenso o movimento de suas moléculas e maior a energia cinética de cada molécula.

O aumento da velocidade das moléculas corresponde a um aumento de sua energia cinética e consequentemente a uma elevação da temperatura. Da mesma forma, a redução da velocidade média das moléculas corresponde a uma redução de sua energia cinética média e, portanto, da temperatura. Com a redução da distância média entre as moléculas, passa a ser relevante a interação entre elas. Tanto quanto a energia cinética, agora a energia potencial também passa a ser relevante.

No estado gasoso (fig. A), a distância entre as moléculas é muito grande quando comparada com as dimensões moleculares. Durante o movimento, as moléculas chocam-se entre si e com as paredes do recipiente que as contém, o que se traduz macroscopicamente na pressão (P) exercida pelo gás no recipiente.

Nesses choques, mantém-se a energia cinética, isto é, os choques são considerados perfeitamente elásticos. As velocidades são da ordem de centenas de metros por segundo.

Devido à grande distância entre as moléculas do gás, a interação entre elas é em média desprezível, e por isso os gases não conservam estáveis nem a forma nem volume.

Quando a substância se encontra no estado líquido (fig. B), suas moléculas estão muito próximas umas das outras e percorrem um caminho mais curto até se chocarem, sendo o tempo de interação entre elas maior que o utilizado no estado gasoso. Por isso, nesse estado, as moléculas se comportam de um modo diferente. Qualquer tentativa de comprimir um líquido resulta numa deformação muito pequena delas. Como para isso são necessárias forças de grande intensidade, dizemos que os líquidos tem compressibilidade muito pequena, sendo portanto seu volume (V) bastante definido, o que não acontece com os gases. Além disso, no estado líquido há um constante intercâmbio entre energia cinética e energia potencial devido à interação entre as moléculas.

No estado sólido (fig. C), as moléculas encontram-se ainda mais próximas umas das outras e ligadas entre si de forma que a interação entre elas é intensa e permanente. Desse modo a distância que elas percorrem é muito menor, resultando apenas numa oscilação em torno de determinadas posições de equilíbrio que constituem um mínimo do potendial eletrostático (elástico) da estrutura cristalina. A troca de posições das moléculas, neste estado físico, só ocorre com dificuldade, e por isso os sólidos possuem volume e forma definidos.

Os estados físicos da matéria são, portanto, formas diferentes de organização das moléculas: as moléculas ou têm praticamente apenas energia cinética (estado gasoso) ou têm energias cinética e potencial em proporções que em cada molécula variam incessantemente (estados líquido e sólido).

A energia total de todas as moléculas é o que denomina a Energia Interna para uma certa quantidade da substâcia.

Então, podemos expressar matematicamente a Energia Interna pela expressão:

ΔU = E_c + E_p

onde:

ΔU é a Energia interna;

E_c é a energia cinética das moléculas;

Ep _{é a energia potencial.}

Nos estados líquido e sólido as moléculas transformam energia cinética em potencial e vice-versa o tempo todo, sob a ação destas forças de interação, variando a distância entre elas, mas mantendo em média o mesmo afastamento.