Razão entre as capacidades caloríficas molares de um gás à pressão e volume constantes

Universidade Federal de Uberlândia Campus Santa Mônica[pic 1]

Instituto de Química

RELATÓRIO

Razão entre as capacidades caloríficas molares de um gás à pressão e volume constantes.

Licenciandos em Química.

Disciplina: Físico Química Experimental

Aluno: Denis Polidoro de Sousa (11911QMI230) Rodrigo Martins Alves (11711QMI220) Rafael L. J. Canuto (11611QMI200)

Uberlândia- MG, Agosto de 2021

Introdução

No século XIX dois químicos, sendo eles Charles Bernard Desormes e Nicolas Clément, tinham como objetivo determinar a relação existente entre as capacidades caloríficas molares de um gás a pressão constante, Cp,m, e a volume constante Cv,m, esta relação podendo ser chamada de ⋎. A capacidade calorífica é entendida como a medição da energia térmica necessária adicionada ou retirada para que se altere a temperatura de um determinado composto/amostra, já a capacidade calorífica molar mede a quantidade de calor necessário para que seja aquecido um mol de uma substância em 1°C. Para tal experimento utilizou-se dois processos, sendo o primeiro um processo de expansão adiabática, seguido de um processo de aquecimento isocórico, ou seja, a transformação a volume constante, como exemplifica a Figura 1.[pic 2]

Fonte: Página edisciplinas USP1

Figura 1: Diagrama P-V para o processo aplicado sobre o gás no experimento de Clément – Desormes. Entre o estado inicial (1) e o (2) o processo é adiabático e entre (2) e (3) é isocórico.

Um processo de transformação adiabática, analisando a Equação 1, partindo da Primeira Lei da Termodinâmica tem-se que:

Δ𝑈=𝑞+𝑤 (equação 1)

Onde Δ𝑈 é dado como a variação da energia interna; 𝑞 é o calor que há na reação e 𝑤 sendo o trabalho realizado. Como o processo adiabático não envolve a troca de calor entre sistema e vizinha, visto que a expansão do gás ocorre numa velocidade muito alta e assim a troca de calor pode ser desprezível e dessa forma a Primeira Lei da Termodinâmica pode ser reduzida para a Equação 2.

Δ𝑈=𝑤=−𝑃𝑒𝑥×Δ𝑉 (equação 2)

Assim indicando então que toda a variação de energia interna de um gás durante um processo adiabático deve ser igual ao trabalho realizado pelo ou sobre o gás. Numa expansão o trabalho é negativo, visto que sistema perde energia, sua energia interna diminui e sua

temperatura também, como o processo adiabático não envolve nenhum fluxo de calor não ocorre troca de energia por radiação, nem condução e conversão, um exemplo simples de um processo de transformação adiabática pode ser dado através da abertura de uma garrafa de uma água com gás, onde o ar da garrafa apresenta uma névoa logo após a abertura de sua tampa, pois houve a expansão do ar, esfriando assim e o vapor d'água condensa de maneira rápida.

Sendo assim o experimento no estado inicial de equilíbrio (1), com certa quantidade de mols encontra-se a uma pressão P1, esta pressão sendo acima da pressão atmosférica e com volume V1 e temperatura T1, sendo esta temperatura igual à temperatura ambiente, com a expansão adiabática realizada até o estado 2, exemplificado na figura 1, o estado 2 assume então uma pressão P2, sendo esta pressão igual da atmosfera, volume V2 e temperatura T2, menor que a temperatura ambiente e neste instante ocorre um aquecimento isocórico indo até o estado 3, a temperatura sendo igual a T1 (temperatura ambiente), pressão P3 e o volume igual sendo igual V2.

Objetivo

Determinar a razão entre as capacidades caloríficas molares a pressão e volume constante para um gás utilizando o aparelho de Clement e Desormes. Analisar se o gás se aproxima mais da razão teórica de gases diatômicos ou monoatômicos ideais.

Procedimento experimental

Para esse experimento, foram utilizados: Um manômetro de água de tubo aberto, uma bomba compressora e um galão de 20 Litros com uma rolha adaptada para o experimento contendo 3 tubos, um ligado a bomba compressora, outro ligado ao manômetro e outro tubo livre (Figura 2) e um papel milimetrado. Nesse experimento, foram aplicados dois processos diferentes sobre o gás, uma expansão adiabática do estado (1) até (2), e um aquecimento isocórico desde (2) até o estado (3) conforme Figura 1. Inicialmente os dois lados do manômetro foram nivelados, em seguida ligou-se a bomba que ficou em funcionamento por alguns minutos com o tubo livre fechado, com os níveis do manômetro alterados a bomba é desligada e o tubo referente a ela é fechado, é então medida a variação da altura (h1) dos dois lados do manômetro, esse é o estado 1, em seguida a rolha do galão foi aberta e fechada rapidamente realizando uma expansão adiabática (estado 2), e após o sistema ser estabilizado em um processo isocórico foi realizado novamente a medida da variação de altura do manômetro (h2).

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Figura 2: Diagrama do aparato de Clement-Desormes

Resultados e discussão

As medidas experimentais foram feitas em duas etapas, na primeira mediu-se a altura da coluna de água após o bombeamento manual de ar para dentro do sistema. Na segunda etapa, foi aferida a altura da coluna de água após a abertura da tampa, o que permitiu que a pressão atmosférica agisse dentro do recipiente. As alturas da coluna de água foram medidas por meio de um papel milimetrado, os dados obtidos foram comparados com as medidas de equilíbrio entre as duas colunas conforme mostra a Tabela 1.