Física Experimenta Básica Termodinâmica

Física Experimenta Básica – Termodinâmica

Experimento 3: Gases Ideais

Objetivos da Experiência:

Uma certa quantidade de n moles de gás pode ter seu estado atual determinado ao serem especificadas algumas de suas grandezas macroscópicas. São elas:

Temperatura T [k];

Pressão p [Pa];

Volume V [m³]

Um gás é chamado de ideal quando essas grandezas, chamadas de variáveis de estado, se relacionam através da equação (I).

pV=nRT (I)

Sendo n o número de moles e R = 8,3145 J/mol.K, chamada de constante universal do gases. Um gás real pode apresentar comportamento de um gás ideal em condições de baixa temperatura.

O objetivo do presente experimento é avaliar a validade da equação de estado dos gases ideias (I) para uma determinada quantidade de ar.

Parte Experimental e Discussão:

O arranjo do experimento é montado de forma tal que seja possível variar a temperatura, a pressão ou o volume de uma quantidade determinada de gás. Ele é apresentado na Figura 1 e é composto pelos seguintes materiais:

bulbo contendo o gás a ser analisado;

câmara externa ao bulbo, por onde passa um fluxo de água para manter a temperatura do gás no valor desejado;

entrada e saída do fluxo de água;

coluna de mercúrio;

termômetro;

reservatório móvel de mercúrio;

mangueira flexível;

tampa do reservatório de mercúrio;

banho térmico com circulador de água e controlador de temperatura.

Da forma que é montado, o arranjo apresentado permite tanto medir quanto variar a temperatura, pressão ou volume do gás presente no bulbo. Um bulbo contendo um gás é conectado por uma mangueira flexível a um reservatório móvel contendo uma coluna de mercúrio. Esse bulbo é envolvido por um tubo de vidro, conectado por mangueiras a um recipiente que circula água a uma temperatura constante, controlada por um controlador de temperatura. O tubo e o reservatório terão suas alturas medidas com uma trena fixa ao equipamento. Neste experimento será variada apenas a pressão p, movimentando-se o reservatório de mercúrio para cima ou para baixo, mantendo a temperatura constante ao longo do tempo.

Figura 1 – Arranjo do experimento

Inicialmente, a tampa do reservatório de mercúrio é aberta para que seja garantida a pressão atmosférica no sistema. Então, é medida a altura da de mercúrio em (4) e (6). A pressão no tubo de ar pode ser expressa pela expressão:

p=p_0+ρgh (II)

Sendo p0 a pressão atmosférica local, ρ = (13,59 ± 0,01) g/cm³ a densidade do mercúrio, g = (9,78 ± 0,05) m/s² a aceleração da gravidade local e h a diferença de altura entre os níveis do mercúrio em (4) e (6).

A pressão atmosférica não é previamente conhecida e, portanto, é medida apenas a variação (acréscimo ou decréscimo) da pressão do gás, dado por ρgh. Sendo assim, ao se combinar as equações (I) e (II), obtem-se:

ρgh=nRT/V-p_0 (III)

O procedimento consistiu em variar a altura do reservatório de mercúrio em diferentes incrementos, registrando a altura nos pontos (4) e (6), para obter variações de pressão ρgh para diferentes volumes V do tubo. Os valores medidos são apresentados na Tabela 1, sendo hp a altura da coluna de mercúrio e hv a altura da coluna de ar. Nota-se que o volume de ar deve ser acrescido do volume da ponta do bulbo, conforme a Figura 2.

Tabela 1 – Dados medidos

hp (cm) hv (cm)

3,3 ± 0,2 8,9 ± 0,2

6,9 ± 0,2 8,5 ± 0,2

10,5 ± 0,2 8,1 ± 0,2

14,1 ± 0,2 7,7 ± 0,2

17,7 ± 0,2 7,3 ± 0,2

21,3 ± 0,2 6,9 ± 0,2