Transformações Isocóricas, Isobáricas e Isotérmicas

INTRODUÇÃO

Em um estudo de 1662 sobre o comportamento físico dos gases, o químico inglês Robert Boyle (1627-1691) descobriu que o volume (V) de determinada quantidade de gás, a uma temperatura constante, é inversamente proporcional à pressão (P).

P V = constante (EQUAÇÃO 1)

A equação 1 é conhecida como lei de Boyle. Essa lei é utilizada para prever a pressão de um gás quando seu volume é variado e vice-versa. Tomando-se os valores iniciais da pressão e do volume como P1 e V1 e os correspondentes valores finais como P2 e V2, tem-se:

P1 V1 = P2 V2 (n e temperatura constantes) (EQUAÇÃO 2)

Em que n é o número de mols do gás presente.

Os físicos franceses Jacques Alexandre Charles (1746-1823) e Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850) mostraram que, a uma pressão constante, o volume de uma amostra de gás expande quando aquecida e contrai quando esfriada. As relações quantitativas envolvidas nas variações da temperatura e do volume do gás mostraram-se notavelmente consistentes.

A uma pressão constante, o volume de determinada quantidade de gás é diretamente proporcional à temperatura absoluta (EQUAÇÃO 3):

= constante (EQUAÇÃO 3)

A equação 3 é conhecida como lei de Charles, ou como lei de Charles e de Gay-Lussac. Uma forma alternativa da lei de Charles relaciona a pressão de determinada quantidade de gás à sua temperatura, a um volume constante (EQUAÇÃO 4):

= constante (EQUAÇÃO 4)

As equações 3 e 4 permitem relacionar os valores de volume-temperatura e pressão-temperatura de um gás nos estados 1 e 2 (EQUAÇÕES 5 E 6):

= (n e P constantes) (EQUAÇÃO 5)

= (n e V constantes) (EQUAÇÃO 6)

Onde n é o número de mols.

O experimento objetivou a observação e construção dos gráficos dos três tipos de transformações e a verificação e comparação do número de mols em cada uma.

2. MATERIAIS E MÉTODOS

2.1. MATERIAIS

Aparelho da “Phyme” para estudo lei dos gases com e sem circulação de água aquecida; Aquecedor; Barômetro; Programa de construção de gráficos ORIGIN; Termômetro.

2.2. MÉTODOS

Para as três transformações foi manipulado o aparelho da “Phyme”, onde o reservatório de mercúrio, que situava-se a direita do aparelho, foi colocado em diversas posições ao longo da régua para que as leituras dos níveis de mercúrio no reservatório e no tubo de gás, que situava-se a esquerda, pudessem ser lidas.

O reservatório de mercúrio foi colocado na extremidade superior da régua, e tomando como zero o limite inferior da mesma, as alturas dos níveis foram medidas, assim como a altura do mercúrio no tubo de gás. Em seguida o valor do volume do tubo de gás foi calculado a partir da expressão 1:

V = (H-h)r2 + ½(4/3 r3) (EXPRESSÃO 1)

Onde o primeiro termo é o volume da coluna cilíndrica, e H é a posição do topo da coluna (posição do inicio da hemisfera de tom marrom). O segundo termo é o volume da pequena hemisfera de tom marrom na parte superior do tubo e r é o raio interno do tubo de gás (r = 5,698 mm).

Posteriormente o valor da pressão p dentro do tubo de gás, levando em consideração a diferença entre a pressão na superfície do mercúrio no reservatório (pressão atmosférica) e a pressão na superfície do mercúrio no tubo de gás pode ser dada pela diferença entre as alturas em milímetros. Para esse caso a diferença de pressão foi dada em milímetros de mercúrio (mmHg). Logo, a pressão no tubo de gás foi a pressão atmosférica Po (medida em um barômetro) mais a diferença de pressão (h’ – h) (Expressão 2):

P = Po + (h’ – h) (EXPRESSÃO 2)

Onde h’ é a altura do nível de mercúrio no reservatório e h no tubo de gás.

FIGURA 1. Esquema utilizado no aparelho da “Phyme”

As medidas para o reservatório do líquido foram realizadas para 8 posições (abaixo da extremidade superior da régua) diferentes do mesmo nos três experimentos. Os respectivos gráficos foram construídos em escalas lineares.

Na transformação isoterma não houve a utilização do aparelho com circulação de água aquecida, e nas outras houve a utilização desse aparelho.

RESULTADOS E DISCUSSÕES

Para os três experimentos foram construídos seus respectivos gráficos. Onde o gráfico 1 representa a primeira transformação, gráfico 2 a segunda transformação e gráfico 3 a terceira transformação.

GRÁFICO 1. Transformação Isotérmica

GRÁFICO 2. Transformação Isocórica